La lecture à portée de main
311
pages
Français
Documents
Écrit par
Jorge Amaya
Publié par
Thesee
Obtenez un accès à la bibliothèque pour le consulter en ligne En savoir plus
Découvre YouScribe en t'inscrivant gratuitement
Découvre YouScribe en t'inscrivant gratuitement
311
pages
Français
Ebook
Obtenez un accès à la bibliothèque pour le consulter en ligne En savoir plus
THESE
En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE T DE L’VERSITÉ DE TOUSE
Délivré par : Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Dynamique des Fluides
Présentée et soutenue par Jorge AMAYA
Le 24 Juin 2010
Titre :
Unsteady coupled convection, conduction and radiation
simulations on parallel architectures for combustion applications
JURY
François-Xavier ROUX Prof. à l’Université Paris 6 Rapporteur
Olivier GICQUEL Prof. à l’Ecole Centrale Paris Président du jury
Mouna EL HAFI Maître assist. à l’Ecole des Mines d’Albi Examinateur
Pedro COELHO Prof. à l’IST, Portugal Examinateur
Denis LEMONNIER Directeur de recherche au LET-ENSMA Examinateur
Thomas LEDERLIN Ing. de recherche à Turbomeca Examinateur
Thierry POINSOT Directeur de recherche à l’IMFT Directeur
Ecole doctorale : Mécanique, Énergétique, Génie civil Et Procédés
Unité de recherche : CERFACS
Directeur(s) de Thèse : Thierry POINSOT (Directeur),
Olivier VERMOREL (co-directeur)
Contents
1 Preface xi
2 Introduction xv
3 Introduction xix
I Heatandmasstransfersinfluidsandsolids 1
4 Heattransferinsolids 2
4.1 TheFourierlaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4.2 Physicalpropertiesofsolids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4.3 Theheatequation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4.3.1 Initialandboundaryconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4.4 ThecodeAVTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.5 Analyticalandnumericalsolutionsforthetransientheatequation . . . . . . . . . . . . . 8
4.5.1 TheLow-Biotapproximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.5.2 ResolutionbytheFouriermethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.5.3 ResolutionusingtheLaplacetransform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.6 Temperaturedependenceofthesolidproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.7 Heattransferina3Dgeometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5 Heatandmasstransferinfluidflows 23
iii CONTENTS
5.1 Thermochemistryofmulticomponentmixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.1.1 Primitivevariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.1.2 Chemicalkinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.2 ThemulticomponentNavier-Stokesequations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.2.1 Turbulentflows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.2 Combustionmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2.3 Near-wallflowmodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.3 ThecodeAVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.2 OverviewofthenumericalmethodsinAVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.3.3 Boundaryconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6 Radiativeheattransfer 50
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2 Basicconcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2.1 Principlesanddefinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2.2 Radiativepropertiesofsurfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.2.3 Radiativefluxatthewalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3 TheRadiativeTransferEquation(RTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3.1 Intensityattenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3.2 Augmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3.3 Theequationoftransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3.4 IntegralformulationoftheRTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.3.5 Themacroscopicradiativesourceterm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.4 Radiativepropertiesofparticipatingmedia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.4.1 Electronicenergytransitionsinatoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72CONTENTS iii
6.4.2 Molecularenergytransitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.4.3 Lineradiativeintensityandbroadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.4.4 Radiationincombustionapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.5 Numericalsimulationofradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5.1 Spectralmodelsforparticipatingmedia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5.2 SpatialintegrationoftheRTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.6 ThecodePRISSMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.6.1 DOMonunstructuredmeshes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.6.2 Cellsweepprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.6.3 Spectralmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.6.4 ThediscretizedRadiativeTransferEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.6.5 Parallelismtechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.6.6 Testcases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
II Multi physicssimulationsonparallelarchitectures 120
7 Combinedconduction,convectionandradiation 121
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.1.1 Principlesofcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.1.2 Numericalaspectsofcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.1.3 Combinedheattransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.1.4 Technicalapproachinmulti-physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2 Fluid SolidThermalInteractions(FSTI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.2.1 Thenear-wallflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2.2 FSTIcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.3 Radiation-FluidThermalInteractions(RFTI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149iv CONTENTS
7.3.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.3.2 RFTIcoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.3.3 Effectsofradiationonthethermalboundarylayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.4 Solid RadiationThermalInteractions(SRTI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.5 Multi-physicscoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.5.1 Thetimescalesofheattransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.5.2 Multi-physicscoupling(MPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.5.3 Synchronizationofthesolvers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
III Multi physicssimulationofanhelicoptercombustionchamber 167
8 LESsimulationofanhelicoptercombustionchamber 168
8.1 Thestudycase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.2 Numericalparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
8.3 QualityoftheLESsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.4 Instantaneousfields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
8.5 Thecombustionmodelandtheflamestructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.6 Averagedandstandarddeviationfields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9 CoupledRFTIsimulationsofanhelicoptercombustionchamber 186
9.1 Radiation: numericalparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.2 Evaluationoftheradiationfields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.2.1 Themeanabsorptioncoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.2.2 Instantaneousradiativefields . . . . . . . . . . . .