Monte Carlo modeling of radiative transfer in turbulent flames
Modélisation des transferts radiatifs dans les flammes turbulentes par une méthode de Monte Carlo
Résumé
A new numerical tool, designed to calculate radiative transfer in combustion chambers, has been developed. The radiative transfer equation is solved stochastically by three different approaches of the Monte Carlo method: a conventional forward formulation and two original approaches based on the reciprocity principle, considered from both points of view of the reverse path and the exchanged power. In order to reduce the variance of the results, absorption is calculated in a deterministic way. Gas radiative properties are treated in a correlated manner by a CK model.
Validation calculations, in non-scattering or scattering media, have shown that the conventional approach is the most suitable for optically thin or semi-transparent media characterized by large differences in temperature whereas the two other methods are the most suitable for optically thick or nearly isothermal media. The results given by the three approaches are obtained simultaneously with only one calculation. In terms of computation time, it is not more expensive to obtain the results from the three methods than to obtain the results from only one given approach. The optimal solution consists in choosing the best of the three results for each mesh.
Turbulence/radiation interaction modeling is based on the division of an optical path into a succession of independent coherent turbulent structures supposed to be homogeneous and isothermal. The structure size is equal to the turbulence integral length scale. This model has been applied to a sooty diffusion turbulent flame. The use of this model leads to a relative homogenization of the volumic radiative power field and to a 37% increase of the total radiative loss of the flame. The soot contribution to this loss is equal to 65%. The coherent turbulent structure size and the constant of the soot absorption coefficient have an important influence on this loss.
Un nouvel outil numérique, destiné au calcul des transferts radiatifs dans les chambres de combustion, a été développé. L'équation de transfert du rayonnement est résolue de façon stochastique par trois approches différentes de la méthode de Monte Carlo : une formulation classique et deux approches originales basées sur le principe de réciprocité, qui n'est pas considéré seulement du point de vue géométrique, mais aussi du point de vue énergétique. Afin de réduire la variance des résultats, l'absorption est calculée de façon déterministe. Les propriétés radiatives des gaz sont traitées de façon corrélée par un modèle CK.
Des calculs de validation, en milieux diffusants ou non, ont montré que l’approche classique est plus adaptée aux milieux non optiquement épais caractérisés par de forts écarts de température, alors que les deux autres méthodes sont plus adaptées aux milieux optiquement épais ou quasi-isothermes. Les résultats des trois approches sont obtenus simultanément avec un seul calcul. Le temps de calcul est égal à celui nécessaire à l'obtention des résultats à partir d'une seule méthode. La solution optimale consiste à retenir, en chaque maille, le meilleur des trois résultats.
La modélisation de l'interaction rayonnement/turbulence repose sur le découpage d’un chemin optique en une succession de structures turbulentes cohérentes indépendantes, supposées homogènes, isothermes et de tailles égales à l'échelle de longueur intégrale de la turbulence. Ce modèle a été appliqué à une flamme turbulente de diffusion contenant des suies. La prise en compte de l'interaction rayonnement/turbulence se traduit par une relative homogénéisation du champ de puissance radiative volumique et par une augmentation de 37% de la perte radiative totale de la flamme. La contribution des suies à cette perte est de 65%. La taille des structures turbulentes cohérentes et la constante du coefficient d'absorption des suies ont une influence importante sur cette perte.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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