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Résolution des transferts conducto radiatifs par la méthode de Monte Carlo en milieux poreux Cyril Caliot Researcher CNRS (HDR) [email protected] Toulouse University S. BLANCO R. FOURNIER B. PIAUD, C. COUSTET V. EYMET, V. FOREST M. El HAFI JERT 2017 CEMHTI Orléans

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Résolution des  transferts conducto-­‐radiatifs par  la  méthode de  Monte  Carlo  en

milieux poreux Cyril  CaliotResearcher CNRS  (HDR)[email protected]

Toulouse  UniversityS.  BLANCOR.  FOURNIER

B.  PIAUD,  C.  COUSTETV.  EYMET,  V.  FOREST

M.  El  HAFI

JERT  2017CEMHTI  Orléans

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Outline• Introduction

• Stochastic model

• Simulation  configuration  

• Results and  discussion

• Conclusion  and  future  work

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Solving combined conduction-­radiation  problems

• Deterministic methods =>  Need a  mesh– Finite differences/volumes/elements– Lattice boltzmannCompute the  temperature field

• Stochastic methods =>  Meshless– Monte  CarloCompute the  local  temperature

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Résolution  de  la  conduction  par  Monte  Carlo

Figs.  fromTalebi et  al.  Prog.  Nuc.  Energy 96  (2017)

𝝏𝑻𝝏𝒕 + ∆𝑻 = 𝒇 et  CI  +  CL• Fixed random walk

(Curtiss IBM  Corp.  1949  ;  Emery  and  Carson  ASME  JHT  1968)

• Semi  floating random walk(Talebi et  al.  Prog.  Nuc.  E.  2017)

• Floating random walk (Walk-­‐On-­‐Sphere)(Haji-­‐Sheikh  and  Sparrow ASME  JHT  1966,  Grigoriu ASME  JHT  2000)λ hétérogène  (Burmeister ASME  JHT  2002  ;  Bahadori et  al.  IJHMT  2017)

• Brownian motion  (Itô processes)(Grigoriu ASCE  JEM  1997,  ASME  JHT  2000)

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Monte  Carlo  pour  les  transferts  couplés  Cond-­Ray

• Calcul  de  la  conductivité  effective  (cond-­‐ray)  dans  un  milieu  poreux  solide-­‐gaz  au  stationnaire– Conduction  (Itô-­‐Taylor)  et  MC  pour  ETR

• Solide  opaque :  Vignoles  IJHMT  2016CL  avec  linéarisation  du  transfert  radiatif• Solide  semi-­‐transparent :  Dauvois Thèse  2016Couplage  non-­‐linéaire    de  la  conduction  et  du  rayonnement  :  itérations

• Calcul  de  T  locale  dans  un  solide  :– Transitoire,  cond-­‐conv-­‐ray  :  Fournier  et  al.  

Eurotherm 2015– Stationnaire,  cond-­‐ray  (Caliot et  al. SFT  2017)

𝝏𝑻𝝏𝒕 + ∆𝑻 = 𝒇 +  ETR  dans  des  milieux  semi-­‐transparents  et  CI  +  CL

From Vignoles  IJHMT  2016

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Stochastic method

𝑇 𝒙𝒃 =  𝜆/𝛿/𝜆𝛿/+ ℎ1

𝑇 𝒙𝒃 − 𝛿/𝒏  +  ℎ1

𝜆𝛿/+ ℎ1

𝑇145 𝒙𝒃

ℎ1 = 4𝜖8𝜎𝑇1:;<

𝑝5>;; =𝜆/𝛿/𝜆𝛿/+ ℎ1

𝛿5>;; =𝛿/2

02

2

2

2

2

2

=¶¶

+¶¶

+¶¶

zT

yT

xTSolid:  Opaque,  diffuse,  

homogeneous,  complex geometry in  vacuum  

Conduction-­‐radiation  flux  balance  at  the  boundary:  𝛿/ and  ℎ1

Stationnary Conduction-­‐Radiation  problem

𝑇(𝑥, 𝑦, 𝑧) = F  𝑝G  𝑇 𝑟 𝑑𝐴G

(r)   𝑝G =LG

𝑇(𝑥, 𝑦, 𝑧) ≅  1𝑁P𝑇/,>

Q

>RL

Dirichlet  BC

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Linearization of  the  radiative  exchange

𝑞LT = 𝜎 𝑇LU − 𝑇TU

𝑞LTV = 4𝜎𝑇1:;< 𝑇L − 𝑇T 𝑅𝑒𝑙. 𝐸𝑟𝑟 =  𝑞LT − 𝑞LTV𝑞LT

𝑻𝒓𝒆𝒇 =  𝑻𝟏 + 𝑻𝟐

𝟐

𝑇L [K]

𝑇T [K]

𝑅𝑒𝑙. 𝐸𝑟𝑟

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Simulation  configuration

Case 𝝀,  W.m-­‐1.K-­‐1 𝒑𝒅𝒊𝒇𝒇 Tmin -­‐Tmax,  K

1a 40 ~1 300-­‐310

1b 10-­‐3 ~0.65 300-­‐310

2a 4.2  10-­‐3 0.1 1000-­‐1500

2b 3.765  10-­‐2 0.9 1000-­‐1500

Objective: compute  the  average  temperature  along  the  plane

  𝑇 = F  𝑝G  𝑇 𝒙 𝑑𝒙G

 Plate2  mm

Plate2  mm 3  Kelvin’s cells

3*4  mm

𝛿/ = 0.1  𝑚𝑚  ;  𝛿5>;; =  𝛿/2

Strutdiameter:    0.6  mm

Strutemissivity:0.85

Stochastic method:C++  code  Startherm (GPL)

Deterministic method:ANSYS  Fluent  -­‐ Energy balance  eq.  

2nd order upwind-­‐ Radiative  transfer eq.  

Discrete ordinates-­‐ 1st  order upwind,  

6*6  disc.  Octant,  pixelation 6*6

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Results:  Low temperature difference 10  K

𝜆 =  40  W.m-­‐1.K-­‐1     𝑝5>;;~  1   𝜆 =  10-­‐3 W.m-­‐1.K-­‐1     𝑝5>;;~  0.65  

High  conductivity:  no  influence  of  radiation Low conductivity:  Temperature homogeneization by  radiation

Plate2  mm

Plate2  mm

The  stochastic method isvalidated with low temperaturedifferences

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Results:  High  temperature difference 500  K

𝜆 =  3.765  10-­‐2 W.m-­‐1.K-­‐1     𝑝5>;;~  0.9   𝜆 =  4.2 10-­‐3 W.m-­‐1.K-­‐1     𝑝5>;;~  0.1  

High  influence  of  radiation

The  stochastic method isvalidated with high  temperaturedifferences

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Conclusion• A  Monte-­‐Carlo  algorithm  was  established  to  solve  the  

combined  conduction  and  radiation  heat  transfers  in  complex  geometries  and  at  the  stationary  regime.

• A  comparison  was  conducted  with  the  results  obtained  with  the  finite  volume  method  (ANSYS  Fluent).

• When  conduction  or  radiation  dominates  the  heat  transfers,  the  stochastic  method  reproduces  well  the  results  of  the  finite  volume  method  and  it  is  considered  numerically validated.

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Future  work• Accelerate the  diffusion  (conduction)  random path:  

using the  Walk-­‐On-­‐Rectangle  technique.• Extend the  algorithm to  a  non-­‐stationary regime• Introduce the  convection  heat transfer mode

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