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Modélisation et simulation de l'émission énergétique et spectrale d'un jet réactif composé de gaz et de particules à haute température issus de la combustion d'un objet pyrotechnique

Caliot, Cyril (2006) Modélisation et simulation de l'émission énergétique et spectrale d'un jet réactif composé de gaz et de particules à haute température issus de la combustion d'un objet pyrotechnique. (Modelling and simulation of the spectral emission of a two-phase reactive and turbulent flow containing gases and particles at high temperature leaving a combusting pyrotechnic object.)

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Abstract

Les travaux réalisés durant la thèse s'inscrivent dans une problématique scientifique liée à l'étude des transferts radiatifs. Plus particulièrement, l'application de cette étude est la télédétection infrarouge d'un écoulement diphasique réactif et turbulent à haute température. Cette étude a pour objectif la modélisation et la simulation du rayonnement infrarouge émis par cet écoulement et re¸cu par un détecteur. Pour développer un outil de simulation numérique de la signature infrarouge d'un jet de gaz et de particules à haute température, les espèces majoritaires qui sont responsables de l'émission du rayonnement ont été identifiées lors d'expérimentations. Les campagnes expérimentales ont permis la construction de bases de données concernant les gaz (CO2-CO-H2O) et les particules (oxydes métalliques) présents dans le jet. Connaissant la nature des gaz et des particules, le calcul de leurs propriétés radiatives doit être réalisé. Cette étape est nécessaire puisque ces propriétés caractérisent l'émission de rayonnement par le jet et elles doivent être connues pour résoudre l'équation de transfert radiatif. Pour les gaz, un code de calcul raie par raie de spectres synthétiques a été développé. De plus, pour diminuer le temps de calcul d'une signature infrarouge, il est préférable d'utiliser des modèles spectraux de bandes étroites. Le modèle de télédétection infrarouge est un modèle spectral utilisant des k(coefficient d'absorption)-distributions sous l'hypothèse des k-corrélés avec l'approximation d'un gaz unique pour le mélange associée à l'hypothèse des gaz fictifs. Les paramètres de ce modèle (CKFG-SMG), ont été tabulés et validés dans l'étude. En ce qui concerne les propriétés radiatives des nuages de particules sphériques, le modèle de Mie est utilisé car il est valable pour les gammes de fractions volumiques rencontrées. Pour tester l'influence de la diffusion, une étude de sensibilité à la diffusion a été réalisée. En effet, nous avons quantifié l'erreur commise sur le flux émis par différentes couches si les processus de diffusion du rayonnement sont négligés. Cette étude a montré que l'influence de la diffusion peut être négligée dans le cadre de notre étude. La modélisation de la signature infrarouge du jet diphasique réactif issu de la combustion du matériau pyrotechnique, nécessite la connaissance des températures et des concentrations en gaz et particules, en tous les points du jet. Ce jet diphasique réactif a été simulé à l'aide du logiciel Fluent. De plus, une interface graphique a été développée qui recrée la scène optronique en se servant des profils aérothermochimiques du jet diphasique et des données concernant la position du détecteur. De cette fa¸con, un outil de simulation numérique de la signature infrarouge du jet (SIRJET) a été développé qui inclue un modèle de transfert radiatif (lancer de rayon) ainsi que les paramètres tabulés (gaz et particules) du modèle spectral de télédétection infrarouge (CK, CKFG, CK-SMG, CKFG-SMG). Enfin, une confrontation est présentée entre une mesure et le résultat d'une simulation de la signature infrarouge d'un jet diphasique à haute température. ABSTRACT : The works realized during the thesis join a scientific problem connected to the study of radiative transfer. More particularly, the application of this study is the infrared remote sensing of a two-phase reactive turbulent flow at high temperature. This study has for objective the modelling and the simulation of the infrared intensity emitted by this jet and received by a detector. To develop a software dedicated to the simulation of the infrared signature of a jet containing gases and particles at high temperature, the major species involved were identified during experiments. Knowing the nature of gases (H2O-CO2-CO) and particles (oxidised metal), the calculation of their radiative properties must be realized. This stage is necessary because these properties characterize the infrared emission by the jet and they have to be known to resolve the radiative transfer equation. For gases, a line-by-line code was developed to compute synthetic spectra. Furthermore, to decrease the time of calculation of an infrared signature, it's better to use spectral models of narrow bands. The model of infrared remote sensing is the correlated-k model with the single mixture gas assumption used with the fictitious gases idea. The parameters of this model (CKFG-SMG) were tabulated and validated in the study. As regards, the radiative properties of the spherical particles clouds were computed with the Mie theory that is valid for the range of volume fraction considered in our study. To test the influence of scattering, a sensitivity study to the volume fraction and the refractive index was done which allows us to neglect scattering processes in the development of radiative transfer software designed to compute infrared signature within the framework of our study. Infrared signature modelling of the hot jet requires the knowledge of temperatures and concentrations of gases and particles, at each position in the jet. This two-phase reactive and turbulent flow was simulated with the commercial Fluent software. Furthermore, a graphic interface was developed which simulate the optronic scene by means of aerothermochemical profiles of the jet and datas concerning the position of the detector. In this way, a software of infrared signature computation ( SIRJET) was developed which includes a model of radiative transfer (ray tracing) as well as tabulated parameters (gases and particles) of various spectral model used in infrared remote sensing (CK, CKFG, CK-SMG, CKFG-SMG). Finally, a confrontation is presented between a measure and a simulated infrared signature of a hot jet.

Department:Centre de Recherche d'Albi en génie des Procédés des Solides Divisés, de l'Energie et de l'Environnement - RAPSODEE (Albi, France)
Directeur de thèse:Flamant, Gilles
Uncontrolled Keywords:Transfert radiatif infrarouge - Modèle CK - Gaz fictifs - Single mixture gas - Atmosphère - Écoulement réactif turbulent - Combustion - Haute température. KEYWORDS : Infrared radiative transfer - CK model - Fictitious gas - Single mixture gas - Atmosphere - Turbulent reactive flow - Combustion - High temperature
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Electrical engineering > Energetics and transfer (systems and processes)
Deposited On:21 September 2006

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