Transferts de chaleur couplés rayonnement - conduction - convection : Application à des rideaux d'eau soumis à une intense source radiative

par Anthony Collin

Thèse de doctorat en Mécanique et énergétique

Sous la direction de Pascal Boulet.

Soutenue en 2006

à Nancy 1 , en partenariat avec Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Incendies -- Prévention
• Pulvérisation
• Brumisation
• Transfert radiatif
• Écoulement polyphasique

Résumé

Ce travail est consacré à la simulation des transferts couplés, rayonnement-conduction-convection dans un milieu gaz-gouttelettes, semi-transparent, non gris, absorbant et diffusant. L'application de ce travail porte sur l'étude des rideaux d'eau utilisés en protection contre les incendies. En vue d'une optimisation, une étude fine des interactions rayonnement - matière est menée. Le but est de contribuer à la compréhension des phénomènes d'interaction, ainsi qu'à la réalisation d'outils prédictifs fiables simulant le comportement de sprays anti-incendie. La description des transferts couplés de masse, quantité de mouvement et d'énergie est faite à partir d'une simulation eulérienne lagrangienne. Le modèle de propagation du rayonnement associe la théorie de Mie, le modèle Ck et une évolution de la méthode de Monte Carlo, nommée MMC 2. 2, qui permet de bien prendre en compte la propagation du rayonnement dans un milieu de propriétés radiatives hétérogènes. Cette nouvelle version est validée puis comparée avec les autres techniques de type MMC déjà existantes dans la littérature. Ce travail met ensuite en avant les problèmes de simulations numériques liés à la modélisation 3D du transfert radiatif dans un milieu où la fonction de phase est fortement anisotrope (caractéristique de gouttes d'eau). Une étude complète (dynamique, thermique et rayonnement) permet la validation du code de calcul avec des données expérimentales. Puis, plusieurs configurations sont testées en vue d'améliorer l'atténuation du rayonnement (rampes, augmentation du débit,. ). Elles permettent notamment de dégager des pistes de recherche pour l'optimisation de ces dispositifs de boucliers thermiques.

Titre traduit

On radiative, convective ans conductive heat transfers : Application to water curtains under strong radiative source

Résumé

This study is devoted to the simulation of combined radiative, conductive and convective transfer in a participating, non grey, absorbing and scattering gas-droplet flow. The application of this work is related to water curtains used as radiative shields. In order to optimize these devices, a detailed study of radiation - matter interactions is done. The aim is to contribute to the understanding of the interaction phenomena and to build a reliable predictive tool simulating the behaviour of water sprays used for fire protection. An Eulerian-Lagrangian approach is used to describe the coupled mass, momentum and energy transfer. A Monte Carlo technique (named MCM 2. 2) is used to simulate the radiation propagation combined with the Mie theory and a Ck model to obtain the radiative properties of the medium. This MCM version allows taking into account the heterogeneous radiative properties of the medium. The method is tested and validated through comparisons with existing techniques reported in the literature. The problems due to acute anisotropic scattering simulation are considered in the present 3D configuration. Validation of the numerical code is achieved by comparing our results with available experimental data. Several solutions are tested in order to improve the attenuation capability of water curtains (series of nozzles, double series of nozzles, water flow rate modulation,. . . ) and suggestions are given for further optimization of devices used for radiation shielding.