Prise en compte du rayonnement dans différentes applications multiphysiques traitées à l ONERA. Journée SFT, 21 octobre 2014
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- Marie-Claude Fradette
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1 Prise en compte du rayonnement dans différentes applications multiphysiques traitées à l ONERA Jean-Michel Lamet, Lionel Tessé, Luc-Henry Dorey et Francis Dupoirieux ONERA - DEFA Journée SFT, 21 octobre 2014
2 Plan de la présentation Introduction Généralités sur les codes de rayonnement ASTRE et REA Généralités sur le couplage multiphysique avec rayonnement Exemples d application Cas de simulations multiphysiques en propulsion solide Conclusions / Perspectives 2 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
3 Introduction Écoulements à haute température Contribution significative du rayonnement au transfert de chaleur Foyer aérobie Calcul du transfert radiatif en posttraitement ou couplé avec l écoulement et les conditions limites Foyer anaérobie Rentrée atmosphérique 3 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
4 Solveurs de rayonnement Solveur ASTRE Calcul des puissances et des flux par méthode de Monte Carlo Maillages non structurés généralisés Parallélisation par paquets de photons numériques : MPI (maillage < 5 millions de points) MPI-OpenMP (maillage > 5 millions de points) 2 versions : Intégrée à la plateforme multiphysique CEDRE indépendante Solveur REA Résolution de l ETR par méthode des ordonnées discrètes Maillages non structurés généralisés Parallélisation par domaine géométrique (MPI) Solveur intégré à la plateforme multiphysique CEDRE 4 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
5 Modèles de propriétés radiatives des gaz Milieux en combustion Modèle CK : H 2 O et CO 2, P=1 atm, T < 5000 K MSBE : H 2 O, CO 2, CO et HCl, T < 5000 K «Box models» : H 2 O, CO 2, CO et HCl, P > 5 atm, T < 5000K ASTRE REA Plasmas MSBE atmosphère martienne : CO 2 et CO, P < 100Pa, T<4000K MSBE atmosphère terrestre (plasma O 2 -N 2 avec déséquilibre thermique) Matériaux semi-transparents Verre / Silice Box models pour plusieurs teintes de verre Emission radical OH Base spectroscopique pour les raies entre 280 et 400 nm 5 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
6 Modèles de propriétés radiatives des particules Particules de suie hypothèse : particules sphériques homogènes isothermes de petite taille théorie de Mie diffusion Rayleigh négligeable coef. d absorption : n f V f V Gouttes d alumine et/ou d eau hypothèse : particules sphériques homogènes isothermes calcul des efficacités par la théorie de Mie possibilité de prendre en compte les phénomènes de diffusion anisotrope différentes classes de particules et une température de classe de particules différente de celle du gaz indice optique pour l alumine donné par Dombrovsky ou Joumani indice optique pour l eau donné par Hale and Querry possibilité de tabuler ces propriétés radiatives ASTRE REA Al 2 O 3 6 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
7 Couplages multiphysiques Où? Quand? Couplages spatiaux Couplages temporels Couplages surfaciques (Conditions limites, interfaces ) Couplages volumiques Couplages synchrones Couplages asynchrones Fréquences de couplage Quoi? Quantités échangées Comment? Comment? Types d interactions Post-traitement «One-way» «Two-way» Couplages informatiques Couplages internes Couplages externes 7 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
8 Couplages multiphysiques Interactions Écoulement diphasique / Rayonnement / Paroi Solveur fluides P, T, y i, pdf P g rad T j, f v,j, pdf j Solveur de rayonnement T p Solveur phases dispersées P j rad rad Solveur conditions limites 8 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
9 Couplages multiphysiques Interactions Matériau semi-transparent / Rayonnement T Solveur Conduction Solveur de rayonnement P rad 9 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
10 Couplages multiphysiques Couplages internes (ASTRE / REA) Plateforme multiphysique CEDRE (couplage synchrone) (Onera, Herakles) Couplages externes (uniquement pour le code ASTRE) Chaînage de codes par fichiers Chaîne CelHyo3D-ASTRE (Onera) Chaîne N3S-ASTRE-ABAQUS (Snecma) Chaîne N3S-ASTRE-ANSYS (Turbomeca) Coupleur CWIPI (couplage synchrone/asynchrone) Couplage CEDRE-ASTRE (Onera) Couplage ASTRE-Zebulon (Onera) Coupleur OpenPalm (CWIPI + PALM) (couplage synchrone/asynchrone) Couplage CEDRE-ASTRE (Onera) Couplage ASTRE-FLUENT (Safran) (en cours) Couplage ASTRE-Zebulon (Onera) (en cours) 10 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
11 Exemples d application Tenue thermique de pièces de moteur d avion soumises au feu Interaction Rayonnement-flamme-paroi Modèle CK (CO 2, H 2 O) et suies Couplage interne (CEDRE : 4 solveurs CHARME-SPARTE-ACACIA-ASTRE) confidentiel confidentiel Flux convectif Flux radiatif 11 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
12 Exemples d application Dimensionnement de protections thermiques de véhicules de rentrée atmosphérique Interaction Rayonnement-Ecoulement Modèle MSBE CO 2, CO Couplage à 2 codes CelHyo3D-ASTRE Couplage externe par fichiers Démonstrateur AEROFAST Flux convectif Flux radiatif 12 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
13 Exemples d application Formage du verre (vitesse de refroidissement en fonction de la teinte) Interaction Conduction / rayonnement 1 Box model pour chaque teinte Couplage à 2 codes Zebulon-ASTRE Couplage externe via CWIPI Évolution de la température du verre Teinte blanche / Teinte verte 13 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
14 Exemples d application Émissions polluantes et tenue thermique des foyers aérobies Interaction Rayonnement-flamme Modèles Haute Pression (CO 2, H 2 O, CO) et suies Couplage interne (CEDRE : 3 solveurs, CHARME-SPARTE-ASTRE) 2 types de simulation : Simulation RANS avec Interaction Rayonnement / Turbulence - ASTRE récupère des données sur les fluctuations pour générer des champs aérothermochimiques de manière stochastique Simulation LES avec rayonnement - Optimisation de la fréquence de couplage - Optimisation du temps CPU de l itération radiative 14 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
15 Exemples d application Émissions polluantes et tenue thermique des foyers aérobies Simulation LES-Rayonnement : cas de la chambre TLC (Thèse LH. Dorey 2012) Température Suies P rad 15 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
16 Simulations multiphysiques en Propulsion Solide Simulations de l allumage de blocs de propergol sur le banc expérimental CHEAP Configuration Fonctionnement Simulation en ambiance sèche Simulation en ambiance humide - Maillage 3D de cellules - Calcul sur 128 processeurs 16 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
17 Simulations multiphysiques en Propulsion Solide Simulation en ambiance sèche (CEDRE 2 solveurs) Méthodologie de couplage CHARME : - Gaz neutre, gaz de combustion, particules Al 2 O 3 (Ø = 1 m) - Modèle k- pour la turbulence REA : - Gaz (CO 2, H 2 O, CO, HCl) + particules Al 2 O 3 CHARME P rad, rad P, T, y i REA - Couplages surfacique et volumique - Couplage synchrone -Période de couplage 1 ms (1000 itérations CHARME) 17 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
18 Simulations multiphysiques en Propulsion Solide Simulation en ambiance sèche (CEDRE 2 solveurs) Température Pression Début allumage génératrice Désoperculage Début allumage génératrice Désoperculage Temps Temps Réduction de 18 % du temps entre le début de l allumage de la génératrice et le désoperculage 18 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
19 Simulations multiphysiques en Propulsion Solide Simulation en ambiance sèche (CEDRE 2 solveurs) Non couplé Couplé Champ de température à t = Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
20 Simulations multiphysiques en Propulsion Solide Simulation en ambiance humide (CEDRE 3 solveurs) Méthodologie de couplage CHARME : - Gaz neutre, gaz de combustion, particules Al 2 O 3 (Ø = 1 m) - Modèle k- pour la turbulence SPIREE : Gouttes d eau (Ø ini = 10 m) dans l ailette avec évaporation ASTRE : Gaz (CO2, H2O, CO, HCl) + particules Al 2 O 3 et gouttes d eau P, T, V, y i SPIREE. i CHARME P rad, rad P, T, y i ASTRE - Couplages surfacique et volumique - Couplages synchrones -Période de couplage ASTRE avec CHARME/SPIREE : 1 ms (1000 itérations) f v,eau, Ø eau, T eau 20 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
21 Simulations multiphysiques en Propulsion Solide Simulation en ambiance humide (CEDRE 3 solveurs) Flux radiatif ASTRE (128 millions de tirs par itération) 21 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
22 Simulations multiphysiques en Propulsion Solide Simulation en ambiance humide (CEDRE 3 solveurs) Montée en pression Pression -Réduction du délai d allumage de la génératrice -Problème de désoperculage (réalisé «manuellement» à une pression trop élevée dans le calcul couplé) - Difficile de conclure sur le délai d allumage du bloc de l ailette et de l effet des gouttes d eau Temps Mise en œuvre de ce type de simulation à poursuivre 22 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
23 Conclusions / Perspectives Prise en compte du rayonnement dans de plus en plus d applications semi-industrielles / industrielles Solveurs radiatifs ASTRE / REA fonctionnels pour une large gamme d applications Algorithme de couplage (fréquence de couplage, convergence, stabilité ) Enrichir les couplages internes et externes Orienter les codes de rayonnement vers le HPC Disposer de modèles radiatifs plus précis (en particulier pour les particules) 23 Journée SFT, Paris, le 21 octobre 2014
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