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Textural Control of Coupled Radiative and Conductive Heat Transfer in Fibrous Media at Very High Temperatures
La modélisation des transferts conducto-radiatifs a haute température (jusqu'a 2500 K) au sein de feutres hautement poreux (CALCARB R) à base de fibres de carbone microniques alliées à la compréhension des paramètres texturaux les gouvernant permettent de poser les étapes clés d'une démarc...
| Auteurs principaux : | , , , , , , , |
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| Collectivités auteurs : | , , |
| Format : | Thèse ou mémoire |
| Langue : | anglais |
| Titre complet : | Textural Control of Coupled Radiative and Conductive Heat Transfer in Fibrous Media at Very High Temperatures / Atin Kumar; sous la direction de Benoit Rousseau et de Jérôme Vicente |
| Publié : |
2021 |
| Note de thèse : | Thèse de doctorat : Energetique, thermique, combustion : Nantes : 2021 |
| Disponibilité : | Thèse confidentielle jusqu'au 26 mars 2031 |
| Sujets : |
| Résumé : | La modélisation des transferts conducto-radiatifs a haute température (jusqu'a 2500 K) au sein de feutres hautement poreux (CALCARB R) à base de fibres de carbone microniques alliées à la compréhension des paramètres texturaux les gouvernant permettent de poser les étapes clés d'une démarche robuste d'optimisation de leur pouvoir d'isolation thermique. Afin de modéliser finement les transferts conducto-radiatifs, les propriétés texturales 3D d'un feutre ainsi que les propriétés thermiques (conductivité) et optiques des fibres de carbone constitutives ont été déterminées au préalable en utilisant différentes méthodes expérimentales telles que la tomographie X a haute résolution, la spectroscopie micro-Raman, et la spectroscopie d émission infrarouge. En particulier, la conductivité thermique longitudinale des fibres de carbone a été obtenue en utilisant la méthode Raman optothermique qui a été adaptée aux fibres de carbone en développant un modèle approprié. Dans ce travail, un code numérique parallélise a été par ailleurs développé pour estimer le transfert de chaleur effectif en couplant la conduction et le rayonnement a l échelle locale dans un squelette 3D digitalise et constitue de fibres opaques baignant dans le vide. Le code est base sur la méthode des volumes finis pour reproduire les transferts conductifs au sein du maille a base de voxels, méthode qui est couplée avec une technique de lancer de rayon accélérée pour le calcul du facteur d échange radiatif entre éléments triangules opaques. Cette approche utilise une méthode de décomposition de domaine qui permet de résoudre des géométries complexes avec des centaines de millions d'inconnues, et de gagner un temps de calcul important sans trop compromettre la précision de la solution. Le code numérique (C++, Qt) ainsi mis au point a fait l'objet de validations par des comparaisons avec des résultats standards de la littérature récente ou obtenus a l'aide de logiciels commerciaux ou encore par voie expérimentale (ETC acquises par Flash laser sur des échantillons représentatifs de CALCARB R). Enfin, la dépendance des propriétés texturales clés sur le transfert de chaleur couple a été étudiée. A cette fin, un générateur de matériau fibreux virtuel base sur un algorithme d'adsorption séquentielle aléatoire et capable de créer des matériaux virtuels \réalistes" avec une fonction de distribution prédéfinie pour contrôler la taille et l'orientation des fibres a été développé. L'usage combine des deux outils numériques permet d étudier l'impact des paramètres texturaux majeurs sur le transfert de chaleur couple. Une première expression liant l'ETC d'une part et la porosité et le diamètre de fibres d'autre part est ici donnée. The modeling of conductive radiative heat transfers at high temperatures (up to 2500 K) within highly porous carbon felts (CALCARB R) made of micrometric sized bers, and combined with the understanding of textural parameters which governs the coupled heat transfer, allows to estab- lish the key steps of a robust approach to optimize their thermal insulation capability. In order to nely model the conductive radiative heat transfers, the 3D textural proper- ties of a felt as well as the thermal conductivity and opti- cal properties of carbon bers were determined beforehand using various experimental methods such as high-resolution X-ray tomography, micro-Raman spectroscopy, and infrared emission spectroscopy. In particular, the longitudinal ther- mal conductivity of the carbon bers was obtained using Optothermal Raman method which was adapted to carbon bers by developing an appropriate thermal model. In this work, a parallelized numerical code was also developed to es- timate the eective heat transfer by coupling conduction and radiation at the local scale in digitized 3D skeleton made of opaque bers surrounded by vacuum. The code is based on the nite volume method to solve the conductive transfers within voxel based mesh, and is coupled with an accelerated ray tracing technique for the calculation of the radiative ex- change factor between opaque triangulated elements. This approach uses a domain decomposition method that al- lows to solve complex geometries with hundreds of millions of unknowns, and to save signicant computational time without compromising with the accuracy of the solution. The numerical code (C++, Qt) developed has been vali- dated against standard results from recent literature, or ob- tained using commercial software, or experimentally (ETC acquired by laser Flash method on representative samples of CALCARB R). Finally, the dependence of key textural properties on coupled heat transfer was studied. To serve this purpose, a virtual brous material generator based on a random sequential adsorption algorithm and capable of creating "realistic" virtual materials with a predened dis- tribution function to control bers' size and orientation was developed. The combined use of two numerical tools allows to study the impact of major textural parameters on cou- pled heat transfer. A rst expression linking ETC on the one hand and ber porosity and diameter on the other hand is proposed. |
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| Variantes de titre : | Contrôle de la texture du transfert thermique couplé par rayonnement et par conduction dans les milieux fibreux à haute température |
| Notes : | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire de Thermique et Énergie de Nantes (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Gérard Louis Vignoles (Président du jury) ; Christophe Binétruy, Jean Lachaud (Membre(s) du jury) ; Richard Fournier, Sophia Haussener (Rapporteur(s)) |
| Configuration requise : | Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF |