Analyse expérimentale et modélisation multi-échelle du transfert de chaleur par convection dans les milieux poreux à l'appui des communautés de l'espace, du stockage de l'énergie et de la biomasse - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Experimental analysis and multiscale modeling of convective heat transfer in porous media in support of the space, energy storage, and biomass communities

Analyse expérimentale et modélisation multi-échelle du transfert de chaleur par convection dans les milieux poreux à l'appui des communautés de l'espace, du stockage de l'énergie et de la biomasse

Shaolin Liu
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1362503
  • IdRef : 27629811X

Résumé

Modeling transport in porous media requires accounting for the multiple-scale aspects inherent to the structure of porous media. Typical multiple-scale problems may involve several successive scales or at least two scales generally referred to as the micro-scale and the macro-scale. Several methodologies based on theoretical analysis have been developed to upscale transport equations from the micro-scale to obtain macro-scale models. This study is built upon these available upscaling techniques and uses various macro-scale models to investigate convective heat transfer in porous media. The accuracy of these macro-scale models is influenced by the macroscopic transport properties, namely permeability, effective thermal conductivity, volumetric heat transfer coefficient, etc. While many studies have been conducted on particular macroscopic transport properties, the complexity, addressed in this work, arises from the fact that these parameters are interrelated in the coupled conservation of mass, momentum, and energy equations.The main objective of this thesis is to contribute to the understanding of convective heat transfer in porous media through experimental and numerical studies, to give insight on the choice of the relevant macroscopic models to use and on the determination of the inherent effective or macroscopic properties. In this study, the macroscopic properties are determined using two approaches. The first one consists of the experimental-numerical inverse problem resolution, while the second is based on direct micro-scale numerical simulations. In the first approach, the transient single-blow technique (TSBT) is used to perform experiments on two facilities, designed specifically during this work, with different test section diameters of 1 cm and 20 cm. We study heat transfer by the flow of a hot gas within three different types of porous media: carbon fiber felts, used in Thermal Protection Systems (TPS), packed beds of glass beads, used in Thermal Energy Storage (TES), and packed beds of wood pellets and chips, used as biomass in energy production. We perform a numerical inverse analysis to estimate the quantities of interest using the Porous material Analysis Toolbox based on OpenFoam (PATO) and the Design Analysis Kit for Optimization and Terascale Applications (DAKOTA). In the second approach, the microstructure of the porous media is sought for direct numerical simulation of the flow and heat transfer. For TPS applications, carbon fiber felt is reconstructed using 3D digitalized tomographic images. The permeability and the Forchheimer tensors are then computed by solving the Navier-Stokes equations at the micro-scale. For packed beds of glass beads and wood pellets, a Discrete Element Method (DEM) code is used to generate packings of spheres and cylinders. By solving the coupled Navier-Stokes and energy equations in both fluid and solid phases, the volumetric heat transfer coefficients are determined based on an integration method.This work contributes to the understanding and development of two methods for determining the macroscopic transport properties involved in the macro-scale model, thereby enabling a more accurate study of heat and mass transfer phenomena within porous media. The numerical contributions of the Ph.D. work have been implemented in PATO, which has been released as open source by NASA.
La modélisation du transport dans les milieux poreux nécessite de tenir compte des aspects multi-échelles inhérents à la structure des milieux poreux. Les problèmes typiques à plusieurs échelles peuvent impliquer plusieurs échelles successives ou au moins deux échelles généralement appelées micro-échelle et macro-échelle. Plusieurs méthodologies basées sur l'analyse théorique ont été développées pour mettre à l'échelle les équations de transport de la micro-échelle pour obtenir des modèles à l'échelle macro. Cette étude repose sur ces techniques de mise à l'échelle disponibles et utilise divers modèles à l'échelle macro pour étudier le transfert de chaleur par convection dans les milieux poreux. La précision de ces modèles à l'échelle macro est influencée par les propriétés de transport macroscopiques, à savoir la perméabilité, la conductivité thermique effective, le coefficient de transfert de chaleur volumique, etc. Bien que de nombreuses études aient été menées sur des propriétés de transport macroscopiques particulières, la complexité, abordée dans ce travail, provient du fait que ces paramètres sont interdépendants dans les équations de conservation couplées de la masse, de l'élan et de l'énergie.L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la compréhension du transfert de chaleur par convection dans les milieux poreux grâce à des études expérimentales et numériques, pour donner un aperçu sur le choix des modèles macroscopiques pertinents à utiliser et sur la détermination des propriétés effectives ou macroscopiques inhérentes. Dans cette étude, les propriétés macroscopiques sont déterminées en utilisant deux approches. La première consiste en la résolution du problème inverse numérique-expérimental, tandis que la seconde est basée sur des simulations numériques directes à l'échelle micro. Dans la première approche, la technique transitoire à coup unique (TSBT) est utilisée pour réaliser des expériences sur deux installations, conçues spécifiquement pendant ce travail, avec différents diamètres de section d'essai de 1 cm et 20 cm. Nous étudions le transfert de chaleur par l'écoulement d'un gaz chaud à l'intérieur de trois différents types de milieux poreux : les feutres de fibres de carbone, utilisés dans les Systèmes de Protection Thermique (TPS), les lits de billes de verre, utilisés dans le Stockage d'Énergie Thermique (TES), et les lits de granulés et de copeaux de bois, utilisés comme biomasse dans la production d'énergie. Nous effectuons une analyse inverse numérique pour estimer les quantités d'intérêt en utilisant la boîte à outils d'analyse de matériaux poreux basée sur OpenFoam (PATO) et le Kit d'analyse de conception pour l'optimisation et les applications à l'échelle Tera (DAKOTA). Dans la deuxième approche, la microstructure des milieux poreux est recherchée pour la simulation numérique directe de l'écoulement et du transfert de chaleur. Pour les applications TPS, le feutre de fibres de carbone est reconstruit à l'aide d'images tomographiques numérisées en 3D. La perméabilité et les tenseurs de Forchheimer sont ensuite calculés en résolvant les équations de Navier-Stokes à l'échelle micro. Pour les lits de billes de verre et de granulés de bois, un code de la méthode des éléments discrets (DEM) est utilisé pour générer des emballages de sphères et de cylindres. En résolvant les équations couplées de Navier-Stokes et d'énergie dans les phases fluides et solides, les coefficients de transfert de chaleur volumiques sont déterminés en fonction d'une méthode d'intégration.Ce travail contribue à la compréhension et au développement de deux méthodes pour déterminer les propriétés de transport macroscopiques impliquées dans le modèle à l'échelle macro, permettant ainsi une étude plus précise des phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans les milieux poreux. Les contributions numériques du travail de doctorat ont été implémentées dans PATO, qui a été diffusé en open source par la NASA.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04500039 , version 1 (11-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04500039 , version 1

Citer

Shaolin Liu. Analyse expérimentale et modélisation multi-échelle du transfert de chaleur par convection dans les milieux poreux à l'appui des communautés de l'espace, du stockage de l'énergie et de la biomasse. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. HESAM Université, 2023. Français. ⟨NNT : 2023HESAE061⟩. ⟨tel-04500039⟩
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