Radiative properties computational modeling of porous cellular materials

par Salvatore Cunsolo

Thèse de doctorat en Thermique/Energetique

Sous la direction de Dominique Baillis et de Nicola Bianco.

Soutenue le 23-01-2018

à Lyon en cotutelle avec l'Università degli studi di Napoli Federico II , dans le cadre de ED MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures, UMR 5259 (Lyon, INSA) (laboratoire) et de Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS (laboratoire) .

Le président du jury était Franck Enguehard.

Le jury était composé de Dominique Baillis, Nicola Bianco, Franck Enguehard, Leonid Dombrovsky, Alina Adriana Minea, Antonio Rosato.

Les rapporteurs étaient Leonid Dombrovsky, Alina Adriana Minea.

  • Titre traduit

    Modélisation informatique de matières cellulaires poreuses


  • Résumé

    Les transferts thermiques par rayonnement dans des mousses sont modélisés à partir de la morphologie du matériau et des propriétés de sa phase solide. Dans ce travail de thèse, une attention particulière est portée sur les modèles radiatifs de Monte Carlo. Les différentes approches d’homogénéisation telles que « Homogeneous Phase » (HPA) and « Multi Phase » (MPA) sont discutées et comparées. Des développements novateurs sont proposés pour améliorer la précision des résultats. Nos avancées permettent de générer numériquement trois types de mousses périodiques couvrant un large domaine de matériaux cellulaires: mousse à pores fermés à haute porosité, mousse à cellules ouvertes à basse et haute porosité. Pour ces dernières, des comparaisons morphologiques avec des données expérimentales tomographiques, montrent des résultats satisfaisants et tendent à valider nos modèles de génération. Des mousses dont la phase solide est opaque ont tout d’abord été étudiées. Nos simulations ont permis de trouver de nouvelles lois analytiques précises permettant d’estimer les propriétés radiatives de ces matériaux à partir de données morphologiques. Ensuite, nous avons considéré des mousses, dont la phase solide est semi transparente. La modélisation du transfert radiatif au sein de ces milieux cellulaires est plus complexe. Les méthodes de modélisation des propriétés radiatives de la littérature, HPA et MPA, sont testées. Des simulations de Monte carlo directes dans les matériaux ont permis de mettre en exergue les limites de ces modèles. Des modèles novateurs ont été proposés afin d’ améliorer la précision des simulations. Ils sont basés sur une méthode hybride directe-inverse et une modification de l’équation de transfert radiatif classique. Ces nouveaux modèles (HPA+ et MPA+) ont été testés sur un ensemble varié de morphologies générées numériquement. Les modèles améliorés sont systématiquement plus précis que les modèles existants


  • Résumé

    Cellular media such as plastic, ceramic and metal foams present specific characteristics that make them interesting for a number of applications related to thermal engineering. Their ability to minimize natural convection makes them ideal candidates for insulation applications, while the high specific surface and permeability to fluid of open cell foams makes them interesting heat transfer enhancers. In addition, their permeability to light makes them an ideal candidate for thermal radiation based applications, such as porous burners or solar energy collectors. In many of these application, thermal radiation heat transfer can have a significant influence on the heat transfer process. Both accurate radiation models and accurate morphological models of the structure of the foam are required. This work provides an original contribution on both these accounts. A discussion of the literature on numerical methods for radiation heat transfer in cellular media is presented, with focus on Monte Carlo methods. Homogeneous Phase (HPA) and Multi Phase (MPA) methods are discussed. Further efforts are required to accurately model and digitally replicate of foam morphologies. Our goal is to digitally generate three commonly occurring types of foam structures, covering a large range of real materials: high-porosity open cell foams, high-porosity closed cell foams, low-porosity open-cell structures. For high-porosity open cell foams, the automated parametric digital generation technique was validated against a dataset consisting of raw morphological data obtained by tomographic analysis. The generation capabilities were then applied to parametrically investigate the influence of morphological parameters on the radiative properties (namely, the extinction coefficient) of an opaque open-cell foam. Highly accurate analytical relationships were subsequently deduced and validated by comparison with results obtained from tomography samples. Modeling radiation in foams with a semi-transparent solid phase is substantially more complex. A Direct Monte-Carlo Homogenization reference technique is proposed, that allows to simulate radiation within arbitrary cavities and calculate macroscopic radiative quantities based on a Representative Elementary Volume (REV) of cellular material. The technique is validated against full scale Monte Carlo simulations. Improvements of the existing Homogeneous Phase and Multi Phase approach are proposed, through extensive use of inverse methods and the addition of one equation to take into account specific phenomena taking place in the semi-transparent solid phase. The resulting Improved Homogenized Approaches are extensively tested by comparing them with Direct Monte Carlo Homogenization simulations and existing homogenized models, on a varied set of morphologies making full use of the previously developed digital generation techniques. The improved models consistently outperform existing homogenized models.


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