Description en espaces de chemins et méthode de Monte Carlo pour les transferts thermiques couplés dans les structures fluides et solides, une approche compatible avec l'informatique graphique

par Loris Ibarrart

Projet de thèse en Energétique et transferts

Sous la direction de Mouna El Hafi et de Richard Fournier.

Thèses en préparation à l'Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) , en partenariat avec RAPSODEE - Centre de Recherche d'Albi en Génie des Procédés, des Solides Divisés, de l'Energie et de l'Environnement (laboratoire) et de Groupe Energique et Environnement (equipe de recherche) depuis le 10-11-2016 .


  • Résumé

    Il est d'usage depuis plusieurs décennies d'utiliser la méthode de Monte Carlo pour simuler les échanges thermiques par rayonnement. Ceci provient du fait que l'équation de transfert radiatif est parfaitement adaptée à la simulation par la méthode de Monte Carlo, par son statut d'équation de Boltzmann linéaire, qui par construction permet une lecture statistique du transport de photons en interaction avec la matière. De telles approches seront amenées à jouer un rôle de premier plan dans les problèmes linéaires fortement couplés, en géométrie complexe, et notamment dans le domaine de la thermique des systèmes. Les raisons principales sont l'indépendance des données d'entrée et des algorithmes de calcul (permettant par exemple d'intégrer les Building Integrated Modeling dans le cas du bâtiment), et la prise en compte des géométries complexes grâce aux techniques de synthèse d'images (jeux vidéo). A notre connaissance, il n'existe pas de travaux basés sur cette approche statistique annonçant cette méthodologie originale. La faisabilité a déjà été étudiée par l'équipe, en thermique du bâtiment et pour le refroidissement de systèmes électroniques embarqués. Il s'agira dans un premier temps d'établir la formulation intégrale de problèmes linéaires fortement couplés en géométrie complexe. Cela concerne notamment des applications de type bâtiment (ou des quartiers comportant plusieurs bâtiment pour la complexité géométrique). Les algorithmes de calcul seront basés sur une méthode de Monte Carlo et seront intégrés à l'environnement EDSTAR. Cet environnement a pour principal intérêt d'utiliser des algorithmes issus de la communauté de synthèse d'image permettant de traiter les géométries complexes. Cette approche permet de bénéficier de la rapidité de calcul d'intersections des rayons avec les objets de la scène étudiée. Le deuxième champ d'investigation concerne la thermique des récepteurs solaires. Il se pose ici une question d'une autre nature par rapport à l'application précédente : le couplage avec un fluide non-homogène de champ de vitesse inconnu. Il s'agira dans un premier temps de travailler la formulation du problème couplé à l'aide d'une approche intégrale en supposant la vitesse connue. Puis, dans un second temps, de déterminer un modèle de couplage linéaire pour résoudre simultanément le champ de vitesse.

  • Titre traduit

    Paths description and Monte Carlo method for coupled heat transfer in fluid and solid structures, a computer graphics' compatible approach


  • Résumé

    In these last decades, Monte Carlo Methods have been used traditionnaly in the literature, to simulate radiative heat transfer. That is mainly due to the Boltzmann linear equation status which allows the representation of the interaction between the transport of photons and matter by statistics. These approaches play a main role in linear problems presenting a strong coupling between physical phenomena and dealing with complex geometries, this could be the case in heat transfer systems. The main reasons for that are that the input data and the algorithms are not dependent on each other (this allows the integration of the Building Integrated Modeling in building applications for instance), and that complex geometries are treated using computer graphic techniques (video games). We are not aware of the existence of previous works that use this original approach. However, our team have studied the feasibility in thermal heat transfer applied to buildings or cooling on-board electronic systems. The first stage of this work will be to establish the integral formulation of linear problems that are stongly coupled, in complex geometries. This concerns essentially building applications (or living quarters composed of numerous buildings involving complex geometries). The algorithms are based on Monte Carlo methods, and will be implemented in the EDSTAR environment. The main advantage of these algorithms is the low computational cost : based on computer graphics techniques, the intersection calculations between beams and the geometrical configuration are optimized. The second stage of this work will be the study of thermal heat transfer in solar receivers. This entails a new question : the coupling with an heterogeneous fluid of unknown velocity field. At first, velocity will be considered to be known in order to work on the integral formulation of the coupled heat transfer problem. Then, the model will be changed to a linear one in order to allow a simultaneous resolution of the velocity field.