Pressurized Carbon Dioxide as Heat Transfer Fluid: Influence of Radiation on Turbulent Flow Characteristics in Pipe

International audienceThe influence of radiative heat transfer in a CO2 pipe flow is numerically investigated at different pressures. Coupled heat and mass transfer, including radiation transport, are modeled. The physical models and the high temperature and high pressure radiative properties method of computation are presented. Simulations are conducted for pure CO2 flows in a high temperature pipe at 1100 K (with radius 2 cm) with a fixed velocity (1 m.s −1) and for different operating pressures, 0.1, 1, 5 and 20 MPa (supercritical CO2). The coupling between the temperature and velocity fields is discussed and it is found that the influence of radiation absorption is important at low pressure and as the operating pressure increases above 5 MPa the influence of radiation becomes weaker due to an increase of CO2 optical thickness

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

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

Transferts radiatifs dans les récepteurs-réacteurs solaires à haute température

Les projets de recherche, sur les nouveaux procédés de conversion de l'énergie solaire concentrée, doivent relever le défi de la simulation des récepteurs solaires. En effet, des mécanismes complexes de couplage écoulement/rayonnement/réaction chimique/croissance de particules doivent être simulés pour développer les connaissances et les applications. Dans ce mémoire, l'influence du rayonnement a été étudiée dans un réacteur solaire de craquage du méthane pour la production d'hydrogène et de particules de noirs de carbone. L'influence des transferts radiatifs a aussi été étudiée dans des récepteurs et réacteurs volumiques poreux à particules ou en mousse ainsi que des récepteurs surfaciques plans et à cavité. De plus, des campagnes expérimentales ont été menées pour valider les modèles construits notamment ceux sur les récepteurs volumiques. La nécessité d'augmenter les rendements de ces récepteurs requiert de limiter les pertes par émission thermique. C'est pourquoi, des travaux ont été réalisés dans l'objectif d'étudier le gain d'efficacité que procure l'utilisation de matériaux spectralement sélectifs pour des récepteurs volumiques et surfaciques à haute température. Pour l'ensemble de ces travaux, des modèles numériques de transferts radiatifs (Monte Carlo, Ordonnées Discrètes, 2-Flux) et de transferts couplés ont été développés et utilisés. De plus, des modèles de propriétés radiatives spectrales de parois opaques rugueuses, de milieux semi-transparents composés d'un mélange gaz-particules ou d'un milieu macroporeux ou de gaz à haute température ont été proposés et leurs domaines de validité étudiés

Computation of canting errors in heliostats by flux map fitting: experimental assessment

In solar tower plants, thousands of heliostats reflect sunlight into a central receiver. Heliostats consist of a subset of mirrors called facets that must be perfectly oriented (i.e., canted) to concentrate as much solar radiation as possible. This study presents and validates the so-called flux map fitting technique to detect and correct canting errors. The computed distributions were matched to a series of images through an optimization algorithm. According to the sensitivity analysis, three images spread along a single day provide sufficient information for the algorithm to succeed. Using this methodology, four heliostats at the THEMIS research facility were recanted, thereby substantially increasing the optical quality in three of them. The procedure to infer the heliostat aimpoint was assessed.Universidad Carlos III de Madrid (2020/00051); European Commission (823802); Horizon 2020 Framework Programme (727762). We thank the CNRS-PROMES laboratory, UPR 8521, belonging to the French National Center for Scientific Research (CNRS), for providing access to its facilities, the support of its scientific and technical staff, and the financial support of the SFERA-III project (Grant Agreement No. 823802). We thank the technical help provided by Yann Volut, William Baltus, and Antoine Pérez. The research project VISHELIO-CM-UC3M has been funded by the call "Programa de apoyo a la realización de proyectos interdisciplinares de I+D para jóvenes investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid 2019-2020" under the framework of the "Convenio Plurianual Comunidad de Madrid-Universidad Carlos III de Madrid". This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No. 727762, project acronym NEXT-CSP.Publicad

A hybrid transport-diffusion model for radiative transfer in absorbing and scattering media

International audienceA new multi-scale hybrid transport-diffusion model for radiative transfer calculations is proposed. In this model, the radiative intensity is decomposed into a macroscopic component calculated by the diffusion equation, and a mesoscopic component. The transport equation for the mesoscopic component allows to correct the estimation of the diffusion equation, and then to obtain the solution of the linear radiative transfer equation. In this work, results are presented for stationary and transient radiative transfer cases, in examples which concern solar concentrated and optical tomography applications. The Monte Carlo and the discrete-ordinate methods are used to solve the mesoscopic equation. It is shown that the multi-scale model allows to improve the efficiency of the calculations when the medium is close to the diffusive regime. Moreover, the development of methods for coupling the radiative transfer equation with the diffusion equation becomes easier with this model than with the usual domain decomposition methods

Temperature dependence of the static permittivity andintegral formula for the Kirkwood correlation factor ofsimple polar fluids

An exact integral formula for the Kirkwood correlation factor of isotropic polar fluids $g_K$ is derived from the equilibrium averaged rotational Dean equation, which as compared to previous approaches easily lends itself to further approximations. The static linear permittivity of polar fluids $\epsilon$ is calculated as a function of temperature, density and molecular dipole moment in vacuo for arbitrary pair interaction potentials. Then, using the Kirkwood superposition approximation for the three-body orientational distribution function, we suggest a simple way to construct model potentials of mean torques considering permanent and induced dipole moments. We successfully compare the theory with the experimental temperature dependence of the static linear permittivity of various polar fluids such as a series of linear monohydroxy alcohols, water, tributyl phosphate, acetonitrile, acetone, nitrobenzene and dimethyl sulfoxide, by fitting only one single parameter, which describes the induction to dipole-dipole energy strength ratio. We demonstrate that comparing the value of $g_K$ with unity in order to deduce the alignment state of permanent dipole pairs, as is currently done is in many situations, is a misleading oversimplification, while the correct alignment state is revealed when considering the proper interaction potential. Moreover we show, that picturing H-bonding polar fluids as polar molecules with permanent and induced dipole moments without invoking any specific H-bonding mechanism is in many cases sufficient to explain experimental data of the static dielectric constant. In this light, the failure of the theory to describe the experimental temperature dependence of the static dielectric constant of glycerol, a non-rigid polyalcohol, is not due to the lack of specific H-bonding mechanisms, but rather to an oversimplified model potential for that particular molecule

COMBINED CONDUCTIVE-RADIATIVE HEAT TRANSFER ANALYSIS IN COMPLEX GEOMETRY USING THE MONTE CARLO METHOD

Deterministic methods are commonly used to solve the heat balance equation in three-dimensional (3D) geometries. This article presents a preliminary study to the use of a stochastic method for the computation of the temperature in complex 3D geometries where the combined conductive and radiative heat transfers are coupled in the porous solid phase. The Monte Carlo algorithm and its results are validated by a comparison with the results obtained with a conventional finite-volume method

Active thermo-reflectometry for absolute temperature measurement by infrared thermography on specular materials

AbstractKnowledge of material emissivity maps and their true temperatures is of great interest for contactless process monitoring and control with infrared cameras when strong heat transfer and temperature change are involved. This approach is always followed by emissivity or reflections issues. In this work, we describe the development of a contactless infrared imaging technique based on the pyro-reflectometry approach and a specular model of the material reflection in order to overcome emissivities and reflections problems. This approach enables in situ and real-time identification of emissivity fields and autocalibration of the radiative intensity leaving the sample by using a black body equivalent ratio. This is done to obtain the absolute temperature field of any specular material using the infrared wavelength. The presented set up works for both camera and pyrometer regardless of the spectral range. The proposed method is evaluated at room temperature with several heterogeneous samples covering a large range of emissivity values. From these emissivity fields, raw and heterogeneous measured radiative fluxes are transformed into complete absolute temperature fields

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

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 reçu 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 identifiés lors d'expérimentations. Les campagnes expérimentales ont permis la construction de bases de données concernant les gaz (CO2-H2O) et les particules 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 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)-distribuions sous l'hypothèse des k-corrélés avec l'approximation d'un gaz unique pour le mélange associée à l'hypothèse des gaz fictifs (...)TOULOUSE-ENSIACET (315552325) / SudocALBI-ENSTIMAC (810042301) / SudocSudocFranceF