Numerical study of a confined thermal plume at different flow regimes under the influence of gas radiation
Simulations numériques de panaches thermiques dans une cavité confinée en présence de couplage convection-rayonnement volumique
Résumé
This work presents a numerical investigation of a confined thermal plume under the influence of gas radiation. Plumeflow is generated by a linear heat source of constant power density immersed in a cubic cavity. The main aim of this thesis is to characterize the evolution of the plume throughout its transition from steady-state to turbulent regime, and to explore the gas radiation effects on flow stability, heat transfers, thermal and kinetic fields of the plume. DNS numerical simulations are performed over a Rayleigh number range from 106 to 109 by applying a finite volume CFD software coupled to a module for radiative heat transfer calculations. The pure convective situation is studied first to characterize the thermal and kinetic fields of the plume in different flow regimes. Next, the convection-radiation coupling is introduced by considering either gray gas or real gas (air - H2O mixture) media. The effects of optical thickness are analyzed in details for gray gas model. Results show that gas radiation stabilizes the plume flow and delays the onset of unsteadiness. Gas radiation also homogenizes the thermal field and reduces its spatial spreading. However, radiation effect on the kinetic field depends on the flow state. For steady state, gas radiation decreases the global flow circulation while for transient and turbulent states, it enhances the flow dynamics in optically thin medium.These general trends of radiation are also confirmed in real gas mixture through a parametric study of water vapor concentration and reference temperature.
Ce travail est une étude numérique d’un panache thermique confiné en présence de rayonnement de gaz. Le panache est généré par une source de chaleur linéaire immergée dans une cavité cubique remplie d’air. Le but principal est de caractériser l’évolution du panache tout au long de sa transition depuis le régime stationnaire jusqu’à la turbulence, et d’explorer les effets du rayonnement de gaz sur la stabilité, les transferts de chaleur, les champs thermiques et cinétiques du panache.Les simulations numériques DNS sont effectuées pour des nombres de Rayleigh de 106 à 109 avec un logiciel CFD de volumes finis couplé à un module de transferts radiatifs. La situation de convection pure est étudiée en premier lieu pour caractériser les champs thermiques et cinétiques du panache dans différents régimes d’écoulement. Ensuite, le couplage convection-rayonnement est introduit en considérant un gaz gris ou un gaz réel (mélange air – vapeur d’eau). Les effets de l’épaisseur optique sont analysés en détail pour le modèle de gaz gris. Les résultats montrent que le rayonnement stabilise le panache et retarde la transition à l’instationnarité. Le rayonnement homogénéise également le champ thermique et réduit l’extension spatiale du panache. Cependant, l’effet sur le champ cinétique dépend du régime d’écoulement. A l’état stationnaire, le rayonnement de gaz diminue la circulation globale tandis que pour les états transitoires et turbulents, il augmente la dynamique de l’écoulement pour des milieux optiques minces. Ces tendances générales sont confirmées pour le mélange de gaz réel par une étude paramétrique de la concentration de vapeur d’eau et de la température de référence.
Origine : Version validée par le jury (STAR)