Coupled convective heat transfer and radiative energy transfer in turbulent boundary layers

par Yufang Zhang

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de Olivier Gicquel et de Jean Taine.

Le président du jury était Pierre Sagaut.

Le jury était composé de Olivier Gicquel, Jean Taine, Franck Nicoud, Francis Dupoirieux, Yong Huang.

Les rapporteurs étaient Franck Nicoud, Francis Dupoirieux.

  • Titre traduit

    Transferts couplés par convection et rayonnement dans la couche limite turbulente


  • Résumé

    Le rayonnement joue un rôle important dans de nombreuses applications industrielles, en particulier celles mettant en jeu un processus de combustion. Cependant, son influence sur les écoulements turbulents, notamment les couches limites, n’est pas encore bien connu. L’objectif est ici d’analyser en détail l’effet du rayonnement sur les écoulements turbulents. Utilisant le modèle CK pour décrire les propriétés radiatives des gaz, une approche optimisée de la méthode de Monte-Carlo (OERM) basée sur l’émission et le principe de réciprocité est développée. La méthode OERM permet de contrôler localement l’imprécision des résultats tout en corrigeant l’inconvénient de la méthode originale en introduisant une nouvelle fonction de répartition des fréquences basée sur la température maximale du domaine. Plusieurs écoulements de canal plan turbulent sous différentes conditions de pression, de températures et d’émissivités de parois sont résolus par simulation numérique directe (DNS). Les simulations DNS de l’écoulement et du champ de rayonnement par la méthode OERM sont entièrement couplées. L’impact du rayonnement sur le champ moyen de température et ses fluctuations est analysé en détail. La modification du profil de température moyenne induit un changement des flux de chaleur conductifs aux parois et de nouvelles lois de paroi pour la température lorsque le rayonnement est pris en compte. L’impact sur les fluctuations de température et le flux de chaleur par transport turbulent est étudié au travers de leurs équations de transport respectives dont l’équilibre est modifié par le rayonnement. Une nouvelle normalisation (wall-scaling) basée sur le bilan d’énergie est proposée pour améliorer le recouvrement des profils obtenus sous les différentes configurations étudiées avec et sans transfert radiatif. Cette normalisation permet d’introduire un modèle pour le nombre de Prandtl turbulent lorsque le rayonnement est pris en compte. Afin de prédire l’effet du rayonnement sur la zone proche paroi et sa modification des lois de paroi, un modèle de paroi pour la simulation aux grandes échelles (LES) est développé. Les équations 1D de couche limite turbulente à l’équilibre sont résolues sur une grille intégrée au maillage LES pour traiter la zone interne. La contrainte pariétale et le flux de chaleur conductif obtenus sont renvoyés au code LES. La puissance radiative dans l’équation d’énergie du modèle de paroi 1D est évaluée à partir d’un modèle analytique. Le modèle de paroi est validé par comparaison avec les résultats des calculs couplés DNS/Monte-Carlo. Deux critères sont finalement proposés et validés. Le premier a pour but de prédire l’importance du flux radiatif pariétal tandis que le second détermine si un modèle de paroi prenant en compte l’effet du rayonnement dans la zone interne de la couche limite est nécessaire. Une étude paramétrique est ensuite réalisée où un modèle κ-ϵ et un modèle de nombre de Prandtl turbulent sont utilisés pour estimer les champs moyens de vitesse et température d’écoulements de canal plan sous différentes conditions. Les valeurs des critères obtenues sont analysées puis comparées.


  • Résumé

    If radiation plays an important role in many engineering applications, especially in those including combustion systems, influence of radiation on turbulent flows, particularly on the turbulent boundary layers, is still not well known. The objective is here to perform a detailed study of radiation effect on turbulent flows. An optimized emission-based reciprocal (OERM) approach of the Monte-Carlo method is proposed for radiation simulation using the CK model for radiative gas properties. OERM allows the uncertainty of results to be locally controlled while it overcomes the drawback of the original emission-based reciprocity approach by introducing a new frequency distribution function that is based on the maximum temperature of the domain. Direct Numerical Simulation (DNS) has been performed for turbulent channel flows under different pressure, wall temperatures and wall emissivity conditions. Flow field DNS simulations are fully coupled with radiation simulation using the OERM approach. The role of radiation on the mean temperature field and fluctuation field are analyzed in details. Modification of the mean temperature profile leads to changes in wall conductive heat fluxes and new wall laws for temperature when radiation is accounted for. The influence on temperature fluctuations and the turbulent heat flux is investigated through their respective transport equations whose balance is modified by radiation. A new wall-scaling based on the energy balance is proposed to improve collapsing of wall-normal turbulent flux profiles among different channel flows with/without considering radiation transfer. This scaling enables a new turbulent Prandtl number model to be introduced to take into account the effects of radiation. In order to consider the influence of radiation in the near-wall region and predict the modified wall law, a one-dimensional wall model for Large Eddy Simulation (LES) is proposed. The 1D turbulent equilibrium boundary layer equations are solved on an embedded grid in the inner layer. The obtained wall friction stress and wall conductive flux are then fed back to the LES solver. The radiative power term in the energy equation of the 1D wall model is computed from an analytical model. The proposed wall model is validated by a comparison with the former DNS/Monte-Carlo results. Finally, two criteria are proposed and validated. The first one is aimed to predict the importance of wall radiative heat flux while the other one predicts whether a wall model accounting for radiation in the near wall region is necessary. A parametric study is then performed where a k-ǫ model and a turbulent Prandtl number model are applied to simulate the velocity and temperature field of different channel flows under various flow conditions. The obtained criteria values are analyzed and compared.


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