Effets des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle dans une cavité différentiellement chauffée en régimes transitionnel et faiblement turbulent

Les effets des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle sont étudiés en régimes transitionnel et turbulent. On considère des mélanges air/H2O/CO2 confinés dans des cavités cubiques différentiellement chauffées. Des simulations numériques de référence sont entreprises jusqu'à Ra=3x108 en couplant une méthode spectrale de collocation pour l'écoulement et une méthode de lancer de rayons, associée à un modèle ADF, pour le rayonnement. Pour l'étude du régime turbulent, une modélisation des transferts radiatifs basée sur un filtrage spatial est proposée : les contributions filtrées sont résolues par la méthode de lancer de rayons sur un maillage lâche et les contributions de sous-maille sont résolues de manière analytique dans l'espace de Fourier. Ce modèle est combiné à la simulation numérique directe de l'écoulement à Ra=3x109. Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique verticale et d augmenter la circulation générale. Lorsque les six parois de la cavité sont noires et le gaz transparent, deux zones de stratification thermique instable apparaissent en amont des couches limites verticales. Dès Ra=5x106, une instabilité de type Rayleigh-Bénard se développe dans ces zones, induisant des écoulements instationnaires. Lorsque les parois adiabatiques sont parfaitement réfléchissantes, les parois isothermes noires et le gaz rayonnant, des écoulements instationnaires chaotiques sont obtenus à partir de Ra=3x107. Des rouleaux contra-rotatifs à la sortie des couches limites verticales sont observés, ce qui suggère qu'une instabilité de force centrifuge soit responsable de la transition.Radiative transfer effects on natural convection flows are investigated in transitional and turbulent regimes. Air/H2O/CO2 mixtures contained in cubical differentially heated cavities are considered. Benchmark numerical simulations are carried out up to Ra=3x108 by coupling a spectral collocation method for the flow and a ray tracing method, associated with an ADF model, for radiation. In order to study the turbulent regime, a radiative transfer model based on spatial filtering is proposed: filtered contributions are solved with the ray tracing method on a coarse grid and sub-grid contributions are obtained analytically in Fourier space. This model is combined with the direct numerical simulation of the flow at Ra=3x109. The effects of radiative transfer are a decrease of the vertical thermal stratification and an increase of the flow driven in the cavity. When the six cavity walls are black and the gas is transparent, two unstably stratified zones appear upstream the vertical boundary layers. From Ra=5x106, a Rayleigh-Bénard type instability in these zones triggers the unsteadiness. When the adiabatic walls are perfectly reflecting, the isothermal walls are black and the gas is participating, unsteady chaotic flows are obtained in this case from Ra=3x107. Counter rotating rolls at the exit of the vertical boundary layers are observed, which suggests that transition to unsteadiness is due to centrifugal forces.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Transferts radiatifs dans les plasmas de mélanges CO2-N2 (base de données spectroscopiques, étude expérimentale et application aux rentrées atmosphériques)

ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Etude expérimentale et modélisation des propriétés radiatives des mélanges gazeux de type CO2-N2 à très haute température en vue de l'application aux rentrées atmosphériques martiennes,

La modélisation du rayonnement du CO2 à plus de 2000 K reste un défi pour la prédiction des transferts radiatifs à très haute température, en particulier pour le dimensionnement des protections thermiques des véhicules spatiaux entrant dans l atmosphère de Mars. Le défi concerne aussi bien la constitution de bases de données que le développement de modèles permettant de réaliser des calculs couplés entre l aérothermodynamique et les transferts radiatifs. Plusieurs bases de données spectroscopiques ont été développées dans les dernières décennies. Des simulations effectuées sur des mélanges CO2-N2 à l équilibre ont montré que l émission IR de CO2 reste importante, si ce n est prédominante, jusqu à 4000 K. Mais les données expérimentales permettant de vérifier leur précision à haute température sont peu nombreuses et limitées à la basse résolution spectrale, à des températures plus faibles, ou encore impliquent des incertitudes importantes. L objectif principal de ces travaux est donc de fournir des données expérimentales à moyenne ou haute résolution spectrale et à haute température pour permettre de vérifier la précision des bases théoriques développées. Le mélange gazeux à très haute température dont nous mesurons les spectres d émission est obtenu grâce à une décharge micro-ondes traversant un flux de CO2 pur. Aux températures atteintes (environ 6000 K), le mélange est à l équilibre thermodynamique local (ETL) et contient principalement les espèces suivantes : CO2, CO, O2 et O. La mesure des spectres est effectuée grâce à un spectromètre à transformée de Fourier dans l infrarouge. L émission des bandes harmoniques de CO dans la région 3800-4400 cm puissance-1 permet la détermination précise du champ de température radial dans le plasma. L émission théorique de CO2, que ce soit en coefficient d émission ou en luminance intégrée sur un chemin optique, dans les régions de 2,7 _m et 4,3 _m, est alors calculée à partir des bases de données spectroscopiques et comparée aux mesures. Les bases de données spectroscopiques étudiées sont la base CDSD-4000 récemment publiée et EM2C-1994 qui est plus ancienne. Les résultats montrent que cette dernière est suffisante pour des applications classiques en combustion, nécessitant typiquement de faibles résolutions spectrales et des températures inférieures à 2500 K, pour lesquelles elle fut initialement développée. En revanche, la base CDSD-4000 est généralement en très bon accord avec les données expérimentales, en particulier dans les ailes de bandes ce qui indique sa fiabilité pour des applications à très haute température. Bien que des comparaisons aient révélé que les positions de raies pour les transitions à haute énergie manquent de précision dans cette base, le degré élevé de recouvrement des raies dans les régions 2,7 _m et 4,3 _m devrait grandement limiter l impact de cette imprécision dans la pratique. L autre objectif de ces travaux concerne la difficulté que pose la couplage entre les calculs d aérothermodynamique et de transferts radiatifs. En effet, les calculs de transferts iv radiatifs impliquant des molécules polyatomiques doivent prendre en compte un nombre très important de transitions rovibroniques. Par conséquent, un modèle approché de propriétés radiatives (modèle Statistique à Bandes Etroites) a été développé et sa précision a été étudiée pour les systèmes électroniques optiquement épais des molécules carbonées diatomiques rencontrées dans les problèmes de rentrées atmosphériques martiennes. Ces systèmes sont CO 4eme positif, C2 Swan, et CN violet. Diverses conditions à l ETL et hors ETL, ainsi que différents mélanges ont été étudiés pour différents régimes d élargissement de raies. Les comparaisons effectuées avec les calculs "raie par raie" ont révélé d excellents accords. Les paramètres de ce modèle ont été tabulés en fonction de deux températures, Tv (température vibrationnelle) et Tr (température rotationnelle).Modeling of the radiation of CO2 above 2000 K remains a challenge for the prediction of radiative transfer at high temperatures, especially for the design of thermal protection of space vehicles entering the Martian atmosphere. The challenge for both the creation of databases that the development of models to perform calculations coupled between Aerothermodynamics and radiative transfer. Several spectroscopic databases have been developed in recent decades. Simulations of CO2-N2 mixtures at equilibrium showed that the IR emission of CO2 is important, if not predominant, up to 4000 K. But the experimental data to verify their accuracy at high temperature are few and limited to the low spectral resolution, at lower temperatures, or involve significant uncertainties. The main objective of this work is to provide experimental data at medium or high spectral resolution and high temperature in order to verify the accuracy of the theoretical foundations developed. The gas mixture at high temperature we measure the emission spectra is achieved through a microwave discharge through a stream of pure CO2. The temperatures reached (about 6000 K), the mixture is in local thermodynamic equilibrium (LTE) and mainly contains the following species: CO2, CO, O2 and O. The measurement of the spectra is carried out using a Fourier transform spectrometer in the infrared. The harmonic emission bands of CO in the region 3800-4400 cm-1 power allows accurate determination of the radial temperature field in the plasma. The theoretical CO2 emissions, both in emission coefficient or radiance integrated on an optical path, in the regions of 2.7 and 4.3 _m _m, is then calculated from the spectroscopic database and compared measures. The databases are based spectroscopic studied CDSD-4000 and recently published EM2C-1994 which is older. The results show that the latter is sufficient for combustion in conventional applications, typically requiring low spectral resolutions and temperatures below 2500 K, for which it was originally developed. However, based CDSD-4000 is generally in good agreement with experimental data, especially in the wings of bands indicating reliability for applications at very high temperatures. Although comparisons have revealed that the line positions for high energy transitions are unclear in this basis, the high degree of overlap of the lines in the regions 2.7 and 4.3 _m _m should greatly reduce the impact of this imprecision in practice. The other objective of this work concerns the difficulty of coupling between the calculations of radiative transfer and aerothermodynamics. Indeed, calculations of radiative transfer iv involving polyatomic molecules must take into account a large number of rovibronic transitions. Therefore, an approximate model of radiative properties (Statistics narrowband model) was developed and its accuracy has been studied for electronic systems optically thick carbon diatomic molecules encountered in problems of Martian atmospheric reentry. These systems are CO 4th positive, C2 Swan and CN violet. Various conditions to the non-LTE and LTE, and various mixtures have been studied for different regimes of line broadening. Comparisons with calculations "line by line" showed excellent agreement. The model parameters were tabulated in terms of two temperatures, Tg (vibrational temperature) and Tr (rotational temperature).CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Transfert radiatif dans des chambres de combustion de propulseurs à propergol solide aluminisé

CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Generalized Malkmus line intensity distribution for CO2 infrared radiation in Doppler broadening regime

International audienceA new line intensity distribution function is introduced in order to improve the accuracy of statistical narrow-band (SNB) models in the Doppler line broadening regime and in a wide temperature range. This distribution function generalizes the Malkmus distribution through a parameter enabling to adjust the contribution of small line intensities. This new model is shown to enhance significantly SNB accuracy for CO2 uniform column radiation, especially at low temperatures. For non-uniform columns, Lindquist–Simmons type approximations are derived for this new intensity distribution. Their results are in much closer agreement with line by line results than Curtis–Godson approximation ones when steep temperature gradients are considered

EFFETS DU RAYONNEMENT DES GAZ SUR LES INSTABILITES THERMOCONVECTIVES EN CAVITES ALLONGEES. ETUDE THEORIQUE ET MISE AU POINT D'UN MONTAGE D'INTERFEROMETRIE HOLOGRAPHIQUE

CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Rayonnement thermique des plasmas d'air et d'argon: modélisation des propriétés radiatives et étude expérimentale

La constitution de bases de données spectroscopiques recensant l'ensemble des processus radiatifs d'un plasma d'air à l'équilibre thermodynamique local (ETL) a requis la détermination des concentrations et des fonctions de partition des espèces majoritaires dans un plasma d'air à l'ETL entre 300K et 25000K. Les bases de données sont utilisées pour développer des modèles de transferts radiatifs de type émission nette, coefficient moyen d'absorption pondéré par des facteurs d'échappement, somme pondérée de gaz gris à espèces fictives. Ces modèles sont testés sur une géométrie simple pour différents profils de température. Par ailleurs, pour valider à terme les bases de données, un dispositif expérimental (ARC MAECKER) est mis en place. Des techniques de dépouillement sont développées pour caractériser le plasma en émission. Des mesures de températures et de densité électronique sont réalisées sur des plasmas d'argon et argon-hydrogène. Les spectres d'émission de ces plasmas sont modélisés entre 300 et 1000 nm, à l'ETL, entre 1000 et 15000 K. Une comparaison montre un bon accord entre spectres expérimentaux et simulés.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Approximate radiative properties of methane at high temperature

International audienceBand model parameters for high-temperature methane have been generated up to 2000 K from an extended spectroscopic database. Part of the spectroscopic data are issued from calculations made in the framework of the effective Hamiltonian approach. These data have been completed by a statistical extrapolation. The calculations of global radiative properties such as band absorbtances and total emissivities are in good agreement with the available experimental data showing that the contribution of the hot bands is correctly taken into account. Finally, the degree of correlation between CH4, CO2 and H2O spectra in typical conditions of combustion applications is discussed. Band model parameters are available upon request

CO2 RADIATION IN EXPANDING FLOWS UNDER VIBRATIONAL NON-EQUILIBRIUM CONDITIONS

International audienceABSTRACT. The aim of this paper is to develop a line by line model for CO2 vibrational non- equilibrium radiation and to investigate non-equilibrium effects in the case of an expanding mixture flow in a simple conical nozzle. A vibrational specific collisional relaxation model is developed and is incorporated in a multi-temperature thermodynamic description of the gas mixture, in order to compute vibrational level populations along the expanding flow. The HITEMP-2010 spectroscopic database is employed with a model for level energy splitting to provide line by line absorption and emission total and per-vibrational mode specific spectra. The specific spectra allow us to derive the radiative source terms to be used in the multi-temperature model if a coupled approach is required. It is shown that, for the considered nozzle conditions, the partial freeze of vibrational excitation in the expanding flow increases significantly the radiative intensity escaping from the mixture