Couplage asynchrone

Pour calculer le champ de température dans le lit fluidisé, le modèle 1D a besoin d’être renseigné des termes sources radiatifs, du champ de fraction volumique de particules et de paramètres tels que le diamètre de particules, le débit d’air et etc (cf fig. 3.8).

Figure 3.8 – Diagramme de l’enchaînement des codes de calcul

Les propriétés dynamiques du lit comme le champ de fraction volumique ainsi que la conduc- tivité équivalente du lit sont définis à partir d’une simulation numérique du lit fluidisé suivant le protocole présenté au chapitre 5. Bien que la température du gaz ait une influence sur la dynamique des particules (en modifiant la viscosité et la masse volumique de l’air), le couplage entre le champ de température et la dynamique des fluides n’a pas pu être mis en oeuvre car les temps de calculs seraint trop importants.

Pour prendre en compte l’influence de la température du gaz, la température du fluide dans la simulation hydrodynamique varie suivant une fonction prédéfinie décrite suivant la hauteur du lit. Dans un premier temps, cette fonction est considérée constante sur tout le domaine et égale à la température d’équilibre du lit approximée par un bilan global. A partir de là, les propriétés du lit fluidisés sont calculées par la CFD pour être ensuite utilisées dans le modèle

thermique afin de mettre à jour de façon définitive le profil de température dans la hauteur du lit fluidisé.

Le terme source radiatif solaire étant constant, celui-ci est calculé, une fois pour toute, sans couplage entre le modèle thermique et le code radiatif (décrit au chapitre 4).

Le terme source radiatif IR a quant à lui besoin du champ de température pour être calculé, lui-même dépendant du terme source radiatif. Il faut donc ici procéder à un couplage asynchrone entre les codes(cf fig. 3.9). Le principe de ce type de couplage est de partir d’un champ de température initial sans terme source IR pour calculer un premier terme source radiatif. A partir de celui-ci, le terme source dans l’équation 1D de l’énergie est mis à jour pour calculer un nouveau champ de température qui est à son tour utilisé pour calculer un nouveau terme source radiatif. Ces étapes se répètent ensuite jusqu’à ce que le champ de température se stabilise autour d’une valeur constante. Le critère de convergence dépend du cas étudié.

D’un point de vue technique, le couplage entre les codes est semi-automatisé par des scripts écrits en bash et langage fortran.

Figure 3.9 – Diagramme de principe du couplage asynchrone

3.4 Conclusion

Dans ce chapitre, a été présenté la simulation thermique en 1D d’un récepteur solaire à lit fluidisé bouillonnant. L’objectif de ce modèle est de prédire le champ de température 1D

du récepteur afin de pouvoir calculer la température de chauffage d’air et le rendement du dispositif.

Le modèle en question est basé sur une discrétisation en éléments finis de l’équation de l’énergie appliquée à une phase gazeuse et une phase particulaire. Mais pour modéliser l’évolu- tion de la température dans le lit, il faut renseigner le modèle thermique de données externes. Ces données sont d’une part dynamiques avec par exemple la concentration en particules et l’ef- ficacité du brassage et d’autre part constituées de la valeur des termes sources radiatifs comme pour la répartition de l’énergie solaire incidente, les pertes thermiques infrarouges à travers le hublot ou les échanges radiatifs entre particules.

Pour alimenter le modèle thermique de ces informations, deux modèles ont dû être étudiés et mis au point. Ainsi, les échanges radiatifs sont traités par un modèle de transferts radiatifs basé sur une Méthode de Monte Carlo (cf. chap. 4) et les paramètres dynamiques sont définis par une simulation 3D de l’écoulement du lit fluidisé utilisant un modèle Eulérien à deux fluides (cf. chap. 5).

La capacité du modèle à prédire l’évolution de la température dans le récepteur à lit fluidisé bouillonnant à changement de section sera testée au chapitre 7, où les résultats du modèle thermique 1D seront comparés à des champs de température expérimentaux obtenus dans la thèse de A. Bounaceur. Enfin, le modèle sera appliqué à l’optimisation du récepteur au chapitre 8.

Chapitre 4

Simulation des transferts radiatifs dans

un récepteur à lit fluidisé

4.1 Introduction

Il est coutume de penser que les transferts thermiques dans les lits fluidisés sont principa- lement convectifs. Pourtant, dans le cas d’un récepteur solaire à lit fluidisé, l’apport d’énergie externe au système est purement radiatif et les hautes températures atteintes dans le récepteur augmentent considérablement la part du radiatif dans le bilan global des transferts thermiques. C’est pour ces raisons qu’il est intéressant et important de simuler les transferts radiatifs dans le lit fluidisé, car la connaissance et la simulation précise de ces phénomènes peut nous aider dans l’optimisation et la conception du récepteur. En effet, nous pensons que la bonne répartition du flux radiatif incident dans la géométrie est un facteur clef dans :

– la diminution des pertes thermiques radiatives par le haut du récepteur ; – la limitation des points chauds aux parois ;

– l’efficacité du récepteur.

L’objectif étant de comprendre et d’analyser les échanges radiatifs dans le récepteur, nous proposons dans ce chapitre de poser et de tester un modèle basé sur une méthode de Monte Carlo d’un récepteur contenant un lit de particules diffusantes en tenant compte de la directionnalité du rayonnement incident provenant d’une parabole.