Problème étudié et applications viséesNos moyens d’études
Modéliser l’écoulement et la propagation du rayonnementEtude d’un spray : validation / paramètres d’influence
Simulations et expérimentations sur les spraysde gouttelettes d’eau au LEMTA
Pascal Boulet
Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et AppliquéeÉquipe Transfert Radiatif
Faculté des Sciences et TechniquesUniversité Henri Poincaré - Nancy 1
GDR Feux, 13-15 décembre 2006
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Modéliser l’écoulement et la propagation du rayonnementEtude d’un spray : validation / paramètres d’influence
Sommaire
1 Problème étudié et applications visées
2 Nos moyens d’études
3 Modéliser l’écoulement et la propagation du rayonnement
4 Etude d’un spray : validation / paramètres d’influence
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Problème étudié et applications viséesNos moyens d’études
Modéliser l’écoulement et la propagation du rayonnementEtude d’un spray : validation / paramètres d’influence
Recherche à l’échelle laboratoire
Notre problème : une recherche en amont sur lebouclier radiatif
ObjectifsProtection de biens ou de personnesComprendre les mécanismesMettre en place un outil prédictif
Critères d’optimisationNiveau d’atténuationConsommation d’eau
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Les configurations étudiées
Nos moyens d’étude
Equipe transfert radiatif...... expérience de l’UV à l’IR,Collaborations sur le thème spray avec IVK, CNPP, IUSTI et...
Techniques numériquesMéthodes approchées usuelles + MOD, MVF, MMCMie, modèles C-k, techniques inverses, ...Rayonnement en milieu absorbant, diffusant, émissif et non gris.
Moyens expérimentauxSpectroscopie à transformée de FourierDétecteurs infrarougesMesures en transmission, réflexion, émission...
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Les configurations étudiées
Les configurations étudiées
Plusieurs cas à l’échelle du laboratoireSpray seul,Rampe (association de sprays).
Aperçu des difficultésÉcoulement diphasique à phase dispersée,Transferts couplés chaleur et masse, évaporation, turbulenceRayonnement en milieu absorbant, diffusant et non gris.
Incendie
Cible à protéger
Rideau d’eau ModélisationTechniqueeulérienne-lagrangienneMéthode de Monte Carlo
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Modéliser l’écoulement et la propagation du rayonnementEtude d’un spray : validation / paramètres d’influence
Simulation eulérienne de l’air entraînéSuivi lagrangien des gouttesModélisation du rayonnement
Simulation eulérienne de l’air entraîné
Équations de conservation classiques
∂
∂xi(ρ < Ui > Φ) =
∂
∂xj
[
ΓΦ∂Φ
∂xj
]
+ SΦ
pour la masse, l’humidité, les vitesses moyennes de l’air,l’énergie
Modèle de fermeture pour la turbulencek -ε standard, hypothèse d’une turbulence homogène isotrope.
Méthode numériqueMéthode des volumes finisTermes de couplage issus de l’analyse statistique du suivi degouttesProcédure itérative
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Simulation eulérienne de l’air entraînéSuivi lagrangien des gouttesModélisation du rayonnement
Suivi lagrangien des gouttes
Équation de la trajectoired~XPdt = ~VP
Principe fondamental de la dynamique
mPd~VPdt = Ctraînéeρfπ
d2P
8 V 2r
~Vr
||~Vr||+ mapparente~g
avec, ~Vr = ~U − ~VP, Ctrainée = f (ReP), mapparente = VP (ρP − ρf)
Équation de la chaleur : hypothèse de conduction infinie
mPCPdTPdt = Ql + Qradiatif
Bilan de masse dmPdt = −mévap
Problèmes associésDispersion turbulenteModèle d’évaporation
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Simulation eulérienne de l’air entraînéSuivi lagrangien des gouttesModélisation du rayonnement
Méthode de Monte Carlo
¤ Pour une longueur d’onde donnée, un quantum est défini par :une quantité d’énergie,une direction de propagation (choix aléatoire),
ϕ = 2πR et cos2 θ = R
une distance d’interaction (choix aléatoire).Si = − 1
i ln (R) où R ∈ ]0 ;1]¤ Lois définissant lesévénements
↪→ Phénomène de diffusion
↪→ Phénomène d’absorption
↪→ Phénomène d’émission
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Simulation eulérienne de l’air entraînéSuivi lagrangien des gouttesModélisation du rayonnement
Propriétés radiatives spectrales
Contributions des gaz : modèle C-k (7 points de Gauss)Rôle des gouttelettes : théorie de Mie (diffusion indépendante)
-1 0,6 -0,2 0,2 0,6 1Cosinus de l’angle de diffusion cos Θ [-]
10−4
10−2
100
102
104
106
D=200µm, λ=1,1µm
D=20µm, λ=15,7µm
Fonction de phase, Pλ (cos Θ)
2 3 4 5 6 7 8Longueur d’onde [µm]
0
1
2
3
4Coefficient d’absorption [m−1]
Contribution des gouttes
H2O2,7 µm
H2O6,3 µm
H2O1,87 µm
CO2
4,3 µm
Fonctions de phaseDiffusion fortement anisotrope→ dans la direction d’incidence
Propriétés radiativesDiffusion jusqu’à 2µmAbsorption au-delà de 2µm
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Comparaisons avec des données expérimentalesFacteurs importants dans l’atténuation
Cas de comaraison - Quelques ordres de grandeur
Tuyère TP 4000 67 à 1,5 bars / 2,6 bars
Débit : 5·10−6 m3 d’eau / s.
Granulométrie : loi de Rosin Rammlerdrr = 100/300 µm, δrr = 2,66, 20 classes
Injection elliptique (10o et 25o).
Conditions : température à 296 K (333 K pour les particules) ethumidité relative à 40%.
Numérique
Domaine cubique (3 mètres).
Maillage non uniforme (24 x 24 x 40).
Mesures effectuées à 20, 40 et 60 cm sous le point d’injection.
~ex
~ey
~ez
Zone de
mesuresTransfert
radiatif
DirectionX [m]1.6
2
2.4
Direction Y [m]
1.6
2
2.4
Direction Z [m]
0.5
1
1.5
2
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Comparaisons avec des données expérimentalesFacteurs importants dans l’atténuation
Description du spray - Exemples de résultats (1)
Direction X [m]
Dire
ctio
nZ
[m]
1 1.5 20
0.5
1
1.5
Direction X [m]
Dire
ctio
nZ
[m]
1 1.5 20
0.5
1
1.51.72E-031.63E-031.54E-031.45E-031.36E-031.27E-031.18E-031.09E-039.98E-049.08E-048.17E-047.26E-046.35E-045.45E-044.54E-043.63E-042.72E-041.82E-049.08E-050.00E+00
Champ de vitesse du fluide(plan transverse)
Fraction volumique[m3 d’eau / m3 d’air]
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Comparaisons avec des données expérimentalesFacteurs importants dans l’atténuation
Description du spray - Exemples de résultats (2)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
z position [m]
Monodispersion
Polydispersion
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250Sauter diameter D32 [µm]
x position [m]1.8 1.9 2
x position [m]1.8 1.9 2
Monodispersion Polydispersion
0
2
4
6
8
10
12
0
2
4
6
8
10
12
20 cm
40 cm
60 cm
80 cm20 cm
40 cm60 cm
80 cm
Volumetric fraction [x 10−5 m3 of water / m3 of air]
Diamètre moyen de Sauter(plan transverse)
Fraction volumique[m3 d’eau / m3 d’air]
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Etude expérimentale en parallèle...Spectromètre FTIR associé à un détecteur MCT
Spectrometer
(FTIR type)
Detector
(MCT type)
NozzleWater feed
system
Spherical
mirror
Plane
mirror
Collimated beam
Exemple de résultat :effet de la pression d’alimentationsur la transmittance spectrale
t_nu
nu
2bars
2.5bars
3bars
4bars
1.5bars
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
0.94
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
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Comparaisons avec des données expérimentalesFacteurs importants dans l’atténuation
Comparaison entre les mesures expérimentales et les résultatsnumériques
1000 3000 5000 7000
Nombre d’onde [cm−1]
0,75
0,8
0,85
0,9Transmittance spectrale, Tr ν [-]
Bergamote
Expérimental
20 cm sous le point d’injection
1000 3000 5000 7000
Nombre d’onde [cm−1]
0,8
0,9
0,8
0,9Transmittance spectrale, Tr ν [-]
40 cm sous le point d’injection
60 cm sous le point d’injection
BergamoteExpérimental
Bergamote
Expérimental
Transmittance :
Tr = Flux radiatif reçu avec sprayFlux radiatif reçu sans spray
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Comparaisons avec des données expérimentalesFacteurs importants dans l’atténuation
Facteurs importants dans l’atténuation
Principaux facteurs dans l’atténuation du rayonnementFraction volumique en particule d’eauTaille des gouttes
Éléments pour une optimisationAugmenter le débit volumique↪→ augmenter la fraction volumiquePartitionner le débit d’eau↪→ réduire la vitesse de l’écoulementGranulométrie↪→ les petites gouttes sont particulièrement efficaces
Autres testsEau saléeModif. angles injectionsOrientation
A suivre...Associations en rampes / Configuration tunnelTests à l’échelle terrain / Interaction brouillard d’eau - flamme ...
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