Simulations et expérimentations sur les sprays de ...docs.gdrfeux.univ-lorraine.fr/FontenayAuxRoses1/LEMTA1.pdf · LEMTA UMR CNRS 7563 - UHP Nancy 1 GDR Feux, ... modŁles C-k, techniques

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

LEMTA UMR CNRS 7563 - UHP Nancy 1 GDR Feux, 13-15 décembre 2006 1/ 15



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




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




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...






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




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





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





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





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




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





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]





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]





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





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 [-]



BergamoteExpérimental

Bergamote

Expérimental

Transmittance :

Tr = Flux radiatif reçu avec sprayFlux radiatif reçu sans spray





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 ...


Documents

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