Thèses sur le sujet « Numerical slar radiation model »

This study focus on the analysis of different algorithms used to describe underwater light attenuation in the coastal ocean and their impact on primary production processes in a numerical coupled model of the marine biogeochemical dynamics. Light parameterizations (novel and literature based) were embedded into the BFM-POM one dimensional modelling system. Results indicated that better representation of the light vertical profiles are obtained with a double exponential formulation, particu- larly when parameterized on the basis of extensive in situ data. Better representation of the light environment impacted positively on the quality of the marine ecosystem biogeochemical dynamics simulation.

An improved numerical model for calculating the ultrasonic power deposition in layered medium was developed and experimentally verified. The new model takes into account the ultrasound wave reflection and refraction at irregular tissue interfaces thereby providing improved accuracy in ultrasound hyperthermia treatment planning. The model was compared with a simplified model to evaluate when the tissue interfaces could be ignored in the hyperthermia treatment planning and evaluation. The effects of variations in water and tissue temperatures, the fat layer thicknesses, the bone-tissue interface, and the beam entrance angles were also investigated to establish guidelines for treatment execution. It was found that in most cases the effects of the soft tissue interfaces can be ignored. However, in some instances the acoustic focus may be shifted several millimeters off axis in layered medium. This is important when sharply focused transducers are used for ultrasound surgery or under the condition of pulsed, high temperature hyperthermia treatments.

The study whose results are presented here was carried out in support of an ongoing larger effort to investigate and understand the impact of coherence and polarization on the performance of instruments intended to monitor the Earth's radiant energy budget. The visibility of fringes produced by a Michelson interferometer is known to be sensitive to the degree to which the incident light beam is monochromatic. Therefore, the Michelson interferometer has significant potential as a tool for quantifying the degree of temporal coherence of a quasi-monochromatic light beam. Simulation of the performance of an optical instrument using the Monte-Carlo ray-trace (MCRT) method has been shown to be an efficient method for transferring knowledge of the coherence state of a beam of light from one instrument to another. The goal of the effort reported here is to create and experimentally validate an MCRT model for the optical performance of a Michelson interferometer. The effort is motivated by the need to consolidate the knowledge and skills of the investigator in the realm of physical optics, and by the need to make a useful analytical tool available to other investigators in the larger effort.
Master of Science

Ce travail est une étude numérique d’un panache thermique confiné en présence de rayonnement de gaz. Le panache est généré par une source de chaleur linéaire immergée dans une cavité cubique remplie d’air. Le but principal est de caractériser l’évolution du panache tout au long de sa transition depuis le régime stationnaire jusqu’à la turbulence, et d’explorer les effets du rayonnement de gaz sur la stabilité, les transferts de chaleur, les champs thermiques et cinétiques du panache.Les simulations numériques DNS sont effectuées pour des nombres de Rayleigh de 106 à 109 avec un logiciel CFD de volumes finis couplé à un module de transferts radiatifs. La situation de convection pure est étudiée en premier lieu pour caractériser les champs thermiques et cinétiques du panache dans différents régimes d’écoulement. Ensuite, le couplage convection-rayonnement est introduit en considérant un gaz gris ou un gaz réel (mélange air – vapeur d’eau). Les effets de l’épaisseur optique sont analysés en détail pour le modèle de gaz gris. Les résultats montrent que le rayonnement stabilise le panache et retarde la transition à l’instationnarité. Le rayonnement homogénéise également le champ thermique et réduit l’extension spatiale du panache. Cependant, l’effet sur le champ cinétique dépend du régime d’écoulement. A l’état stationnaire, le rayonnement de gaz diminue la circulation globale tandis que pour les états transitoires et turbulents, il augmente la dynamique de l’écoulement pour des milieux optiques minces. Ces tendances générales sont confirmées pour le mélange de gaz réel par une étude paramétrique de la concentration de vapeur d’eau et de la température de référence
This work presents a numerical investigation of a confined thermal plume under the influence of gas radiation. Plumeflow is generated by a linear heat source of constant power density immersed in a cubic cavity. The main aim of this thesis is to characterize the evolution of the plume throughout its transition from steady-state to turbulent regime, and to explore the gas radiation effects on flow stability, heat transfers, thermal and kinetic fields of the plume. DNS numerical simulations are performed over a Rayleigh number range from 106 to 109 by applying a finite volume CFD software coupled to a module for radiative heat transfer calculations. The pure convective situation is studied first to characterize the thermal and kinetic fields of the plume in different flow regimes. Next, the convection-radiation coupling is introduced by considering either gray gas or real gas (air - H2O mixture) media. The effects of optical thickness are analyzed in details for gray gas model. Results show that gas radiation stabilizes the plume flow and delays the onset of unsteadiness. Gas radiation also homogenizes the thermal field and reduces its spatial spreading. However, radiation effect on the kinetic field depends on the flow state. For steady state, gas radiation decreases the global flow circulation while for transient and turbulent states, it enhances the flow dynamics in optically thin medium.These general trends of radiation are also confirmed in real gas mixture through a parametric study of water vapor concentration and reference temperature

The United States holds the world's largest estimated reserves of coal and is also a net exporter of it. Coal gasification provides a cleaner way to utilize coal than directly burning it. Gasification is an incomplete oxidation process that converts various carbon-based feedstocks into clean synthetic gas (syngas), which can be used to produce electricity and mechanical power with significantly reduced emissions. Syngas can also be used as feedstock for making chemicals and various materials. A Computational Fluid Dynamics (CFD) scheme has been used to simulate the gasification process for many years. However, many sub-models still need to be developed and improved. The objective of this study is to use the improved CFD modeling to understand the thermal-flow behavior and the gasification process and to provide guidance in the design of more efficient and cheaper gasifiers. Fundamental research has been conducted to improve the gasification sub-models associated with the volatile thermal cracking, water-gas-shift (WGS) reaction, radiation effect, low-rank-coal gasification, coal to synthetic-natural-gas (SNG), and ash deposition mechanisms. The improved volatile thermal cracking model includes H2S and COS contents. A new empirical WGS reaction model is developed by matching the result with experimental data. A new coal demoisturization model is developed for evaporating the inherent moisture inside the coal particles during low-rank-coal gasification. An ash deposition model has also been developed. Moreover, the effect of different radiation models on the simulated result has been investigated, and the appropriate models are recommended. Some improved model tests are performed to help modify an industrial entrained-flow gasifier. A two-stage oxygen feeding scheme and a unique water quench design are investigated. For the two-stage oxygen feeding design, both experimental data and CFD predictions verify that it is feasible to reduce the peak temperature and achieve a more uniform temperature distribution in the gasifier by controlling the injection scheme without changing the composition and production rate of the syngas. Furthermore, the CFD simulation can acceptably approximate the thermal-flow and reaction behaviors in the coal gasification process, which can then be used as a preliminary screening tool for improving existing gasifiers’ performance and designing new gasifiers.

Les fours de maintien à induction sous vide sont utilisés pour la fabrication d'aubes de turbine à l'aide du procédé de fonderie à cire perdue. La maîtrise de la thermique de ce dernier est primordiale afin d'assurer la qualité de la production. Ce travail est composé de 3 grandes parties : la modélisation détaillée du four, la modélisation réduite et l'expérience. Un four axisymétrique et sa charge ont été modélisés numériquement à l'aide des logiciels FlexPDE et COMSOL Multiphysics. Ces modèles utilisent en entrée la puissance consommée par les inducteurs et fournissent en sortie la température en tout point du module de chauffe et de la charge. Les modèles réduits étudiés sont des modèles physiques dit convolutifs (enthalpique (0D), analytique de dimension 1 (1D)) et paramétrique de type AutoRégressifs avec variables eXogènes (ARX). Les modèles ARX ont été comparés aux modèles convolutifs (procédures d'identification, puis de validation, de modèles). L'objectif est d'accéder à des températures en certains points du four sans présence d'un capteur physique local (capteur virtuel). Les modélisations détaillées et réduites ont été comparées à des expériences réalisées sur four de production. Cette dernière partie n'est pas décrite dans ce mémoire
Vacuum holding induction furnaces are used for the manufacturing of turbine blades by loss wax foundry process. Heat transfer control in a holding furnace is crucial to ensure the quality of manufacturing. This work has 3 major parts, which are the detailed modelling, reduced modelling and experiments. An axyisymmetric furnace and its load have been numerically modelled using FlexPDE and COMSOL Multiphysics, finite element codes. Modelling takes as inputs the electric power consumed by inductors and gives the temperature field in the heating module. The studied reduced models are phyisical convolutive models (enthalpic (0D), 1 dimension analytical (1D)) and parametric like AutoRegressive with eXogeneous inputs (ARX). ARX models have been compared to convolutive models (identification, validation). The goal is to get temperatures in the heating module without local presence of physical sensors (virtual sensor). Detailed and reduced models have been compared to experiments on the furnace. This last part is not described in this document

Le rayonnement solaire est la variable la plus importante pour le calcul du bilan thermique du bâtiment. Son calcul requiert des relations géométriques pour la composante directe et un modèle de ciel pour distribuer le rayonnement diffus sur la voûte céleste. Des modèles développés pour des collecteurs solaires sont utilisés pour calculer le rayonnement solaire atteignant l'enveloppe du bâtiment. Des outils calculent le rayonnement en adaptant des modèles de ciel développés pour l'éclairage naturel. Bien que ces modèles de ciel, avec des genèses différents, servent à calculer le rayonnement solaire, il convient de préciser quel est le plus adapté pour travailler en milieu urbain.En nous appuyant sur une étude des données météorologiques, des modèles de ciel et des techniques numériques, on a mis en place un code susceptible de calculer le rayonnement direct (soleil) et diffus (ciel) et leur interaction avec la géométrie urbaine. La nouveauté réside dans l'évaluation du rayonnement solaire en utilisant un modèle de ciel isotrope et deux anisotropes. L’interaction entre ces modèles et la géométrie urbaine est mise en évidence avec une série d’exemples géométriques progressivement plus complexes. Des méthodes pour tuiler la voûte céleste sont présentées. Les différences entre le rayonnement calculé avec les modèles anisotropes (le modèle de source ponctuelle et le modèle tout temps de Perez) qui sont peu importantes dans une scène dégagée, deviennent significatives dans une scène urbaine. Des contributions ont également été apportées à la mise en place d’une station météorologique ainsi que des procédures pour l’analyse statistique des données et leur contrôle de qualité
Solar irradiation is the most important parameter for building thermal simulation. Its calculation requires geometrical relationships for the direct radiation from the Sun and a sky model to distribute the radiance over the sky vault. Sky models developed for solar collectors are used to calculate the building’s solar irradiation availability. Some software calculates building’s irradiation by adapting sky models for lighting simulations. These models allow to compute solar irradiation, but the selection of the most suitable model for urban applications has not been defined clearly enough. We developed a code, based on the study of numerical methods, sky models and the necessary meteorological data. It calculates the solar irradiation availability in the urban context. The novelty lies in its capacity to evaluate the solar irradiation from the Sun and the sky by using three sky models: one isotropic and two anisotropic. The interaction between each sky model and the urban context is made clear in a series of progressively more complex geometric examples. Procedures to partition the sky vault are presented.Differences between the predicted irradiance by the anisotropic models (Perez punctual source and Perez All-Weather) are classified as small and large in unobstructed and obstructed scenes respectively. Contributions have also been made to set up a meteorological station. Statistical analyses as well as quality control procedures of meteorological data were also implemented

Cette thèse vise à étudier l'exploitation du rayonnement solaire grâce à un nouveau concept de mur capteur passif. Dans ce contexte, le comportement thermique d’un mur solaire semi-transparent a été étudié. Le mur fournit un éclairage naturel et est composé d’une couche d’aérogel de silice assurant une isolation thermique et acoustique, et d’un MCP. Ce dernier est contenu dans des briques de verre assurant l’absorption, le stockage et la restitution de chaleur. Ce mur a été caractérisé expérimentalement au centre PERSEE à Sophia. Il a été remarqué que la performance thermique du mur est élevée en hiver, tandis qu’une surchauffe estivale a été rencontrée. Un modèle numérique simplifié a été développé pour modéliser la convection naturelle et le rayonnement pendant la fusion du MCP. Ce modèle est validé à l’aide d’un modèle CFD, et des résultats de Benchmark. Pour optimiser la performance du mur en été, un modèle numérique du transfert de chaleur à travers le mur a été développé sous MATLAB. Ce modèle a été couplé à TRNSYS afin d’évaluer la performance thermique de l'ensemble du bâtiment. Le modèle couplé a été validé expérimentalement. Le comportement thermique du mur est testé dans des différents climats, et des solutions passives sont proposées pour assurer le confort thermique. Enfin, ce modèle a permis d'étudier le comportement thermique annuel d’un bâtiment intégrant un mur MCP- aérogel dans son enveloppe et une étude économique a été réalisée. Ces études ont confirmé l'intérêt du mur vis-à-vis de l'amélioration des performances énergétiques du bâtiment. La faisabilité économique de l'application du mur dépend du climat, du coût d’énergie, et du coût d'investissement
This thesis aims to study the exploitation of solar radiation thanks to a new concept of passive sensor wall. In this context, the thermal behavior of a novel semi-transparent solar wall has been studied. The wall is composed of glazing, silica aerogel (TIM) and glass bricks filled with fatty acids (PCM). This wall provides storage and restitution of heat, thermal-acoustic insulation and daylighting. The thermal performance of the TIM-PCM wall is tested in a full-sized test cell located in Sophia, PERSEE center. In winter, particularly in sunny cold days, the PCM absorbs solar radiation, melts, and then releases the stored heat to the building at night. During summer, overheating is encountered, the PCM remains in its liquid state and is unable to release the stored heat. A simplified model for PCM melting in presence of natural convection and radiation is developed and validated using a CFD model, and benchmark solutions. Then, a numerical model describing the heat transfer mechanisms through the wall is developed. This model is linked to TRNSYS to assess the thermal performance of the whole building. The MATLAB-TRNSYS model is then validated experimentally. The thermal behavior of the wall is tested under different climates, and passive solutions are proposed to ensure thermal comfort in summer. Finally, the validated model is used to study the annual thermal behavior of a building integrating TIM-PCM wall and an economic study is conducted. These studies confirm the interest of the wall vis-à-vis the improvement of energy performance of the building. The economic feasibility of applying the TIM-PCM wall depends mainly on climate, energy costs, and investment cost

Cette these contribue a l'evolution du logiciel industriel de calcul vibroacoustique astryd developpe par la societe metravib r. D. S. Ce code scientifique est base sur la discretisation de l'equation temporelle de kirchhoff ou equation des potentiels retardes. La these comprend deux parties: * la premiere concerne l'amelioration du noyau scientifique du module de transfert de champs de donnees entre maillages incompatibles. Ce module, denomme lisa, calcule a partir d'un champ de donnees connu sur un maillage mecanique, son transfert sur un maillage acoustique sur lequel opere le code astryd. Les analyses et developpements effectues dans cette partie sont fondes principalement sur l'approximation diffuse, a partir de laquelle plusieurs methodes de transfert sont etudiees. Une comparaison avec la methode initiale (developpee par metravib r. D. S. ) basee sur un calcul de moyenne ponderee par des coefficients geometriques est donnee ; * la seconde partie concerne un elargissement des types de problemes traites par astryd. Elle consiste a modeliser l'influence d'un revetement de materiau absorbant sur le comportement acoustique de structures quelconques, ceci revient a ajouter un terme d'impedance de paroi localisee a l'equation des potentiels retardes. Cette partie presente l'etude de deux formulations: collocation et variationnelle (en temps). Dans le domaine temporel, le terme d'impedance de paroi fait apparaitre un produit de convolution que l'on remplace par un autoregressive moving average. Trois modeles d'impedance sont testes pour valider la methode developpee: une impedance constante, un systeme a un degre de liberte (masse-ressort-amortissement visqueux) et le modele de delany-bazeley

Cette thèse CIFRE réalisée en collaboration avec Saint-Gobain Research Provence porte sur la modélisation des propriétés thermiques d’une mousse d’alumine NorFoam XPure®, conçue pour l’isolation thermique haute température (1200°C–1700°C). L’objectif est de développer et valider des modèles numériques multiéchelles pour calculer le transfert de chaleur par conduction et rayonnement dans cette mousse, à partir des microstructures 3D tomographiées et des propriétés intrinsèques des composants. La mousse étant composée des cellules ouvertes et d’un squelette solide lui-même poreux, la prise en compte de l’influence de cette double porosité est particulièrement novatrice. Dans un premier temps, le transfert thermique par conduction à travers la mousse est modélisé avec des techniques d’homogénéisation par éléments finis. Il est démontré que des conditions aux limites périodiques couramment utilisées ne sont pas adaptées aux mousses tomographiées, et qu’un jeu de conditions aux limites mixtes permet d’obtenir des résultats plus précis sur ces dernières. Quant au transfert radiatif à travers le squelette poreux, qui présente une forte diffusion volumique avec des phénomènes ondulatoires, le développement d’une nouvelle approche de modélisation basée sur l’approximation dipolaire discrète permet de prendre en compte l’influence desdits phénomènes. Les propriétés radiatives de la mousse sont ensuite calculées par méthode de lancer de rayons en tenant compte du comportement radiatif complexe du squelette poreux. L’influence des phénomènes de réflexion et réfraction non-spéculaires aux interfaces entre le squelette et les cellules a été étudiée. Enfin, une modélisation numérique basée sur les techniques d’homogénéisation permet de calculer le transfert thermique à travers la mousse, avec couplage de la conduction et du rayonnement. Le bon accord entre les résultats issus de chaque modèle et les mesures thermiques et optiques réalisées sur la mousse et le squelette poreux confirme le caractère prédictif des modèles développés
This CIFRE doctoral study, performed in collaboration with Saint-Gobain Research Provence, aims to model the thermal properties of NorFoam XPure®, an alumina foam designed for high temperature thermal insulation (1200°C–1700°C). The goal is to develop and validate multiscale numerical models to compute the conductive and radiative heat transfer through the foam from 3D tomography-reconstructed microstructures and the intrinsic properties of each constituent phase. Specific attention is given to the complex porosity in the studied foam: in addition to the open-cell network, smaller pores are also found within the foam skeleton. Novel approaches are proposed in the present work to take into account the influence of this dual-scale porosity. Firstly, effective heat conduction through the foam is modeled with finite element homogenization techniques. It is demonstrated that the commonly used periodic boundary conditions are unsuitable for tomography-reconstructed foams, and that a set of mixed boundary conditions gives more accurate and precise results for such foams. As radiative transfer through the porous foam skeleton is characterized by high volume scattering and significant wave effects, a novel physical optics approach based on the discrete dipole approximation is next developed to model the influence of these phenomena. The radiative properties of the foam are then determined through a ray tracing method that takes into account the complex radiative behavior of the porous foam skeleton. The influence of non-specular reflection and refraction at the interfaces between the foam cells and skeleton is studied. Finally, the homogenized properties are applied to simulate the coupled conductive and radiative heat transfer through the foam. The model predictions are systematically compared to thermal and spectroscopic measurements performed on samples of the foam and the foam skeleton material. The good agreement between numerical and experimental results confirms the predictive capabilities of the models developed in this study

Modelisation des transferts radiatifs pour les differents composants du capteur. Resolution numerique des equations permettant d'obtenir les lois d'evolution des performances du capteur en fonction de ces caracteristiques geometriques, des conditions radiatives et meteorologiques d'un site. Verification experimentale a l'aide d'un simulateur de rayonnement. Application envisagee, au chauffage d'une piscine en plein-air. Optimisation des conditions de fonctionnement et analyse economique du systeme de chauffage

La prédiction de la propagation des feux de forêts consiste à trouver l'évolution du front du feu. Cette thèse reprend le modèle monodimensionnel de propagation du feu sous forme d'ellipses de Richards afin de trouver l'expression intrinsèque de la vitesse de ce front. Une formulation équivalente variationnelle de ce modèle en utilisant les principes de l'optique géométrique est aussi dérivée. Un modèle tridimensionnel de la propagation du feu grâce à une homogénéisation par prise de moyennes et à l'utilisation de la thermodynamique des processus irréversibles est alors obtenu. Une simplification de ce modèle, suivie d'une réduction bidimensionnelle sur la surface gauche du sol, nous conduisent alors à un modèle bidimensionnelle, qui tient compte des principaux paramµetres de la propagation des feux de forêts. Celui-ci permet d'obtenir des formes de corrélations utilisées par le modèle des ellipses. Le caractère non local de l'intervention du flux radiatif en provenance de la zone en feu qui se trouve au-dessus de la végétation est alors introduit. Des simulations numériques, de ce modèle bidimensionnel de propagation du feu avec terme de rayonnement non local, ont enfin été réalisées.

Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin--Madison, 1995.
Typescript. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references (leaves 125-126).

碩士
國立中山大學
機械與機電工程學系研究所
103
In this study, established a two dimensional CFD model with orthogonal mesh to simulate the combustion phenomenon of methane-air mixture gas in the radiation combustor. The combustion chamber of this model which consists of a cellular array was simplified to modeling flame propagation inside a channel, and therefore parameters effects of flame ignited location and efficiency of this combustor has been discussed. Using ANSYS FLUENT and user-defined function (UDF) to simulate flame propagating and heat radiation, and using DO model of ANSYS FLUENT to simulate surfaces emissivity. In this study, considering methane and air stoichiometric combustion modeled by a simple one-step irreversible reaction The results reveal that increase of thermal conductivity results in the increase of adiabatic flame propagating speed and temperature, and thus flame propagats to upstream side. However, when thermal conductivity greater than 20 W/m-K, it was limited for the effects of thermal conductivity to increasing adiabatic flame temperature. If the inlet fuel velocity increase, it needs longer distance to achieve 100% fuel consumption. Flame propagating to the downstream side heats the methane-air mixture gas closed to the downstream side, increases downstream radiation heat flux , reduces radiation heat loss flux to the environment of upstream side and results in worse combustion efficiency. With certain equivalence ratio, at the limit fuel inlet velocity, it causes the maximum adiabatic temperature, but with large solid thermal conductivity it can employ wide range of fuel inlet velocity. With case of large equivalence ratio, adiabatic flame speed and temperature, it needs a shorter distance to achieve 100% fuel consumption, also leads to flame propagate to the upstream side and increases the radiation heat loss. Downstream radiation heat efficiency would increase with increasing perforated-plate internal emissivity. Overall, using a combustor which consists of lower equivalence ratio, lower fuel inlet velocity, lower perforated-plate conductivity, and higher perforated-plate internal emissivity,will gain better radiation heat efficiency.

Thesis (M.S.)--Florida State University, 2006.
Advisor: Xiaolei Zou, Florida State University, College of Arts and Sciences, Dept. of Meteorology. Title and description from dissertation home page (viewed June 13, 2006). Document formatted into pages; containsxi, 65 pages. Includes bibliographical references.

In this work spectral airborne measurements of upward irradiance and a novel remote sensing technique for the cloud droplet number concentration are used to evaluate the representation of clouds in current operational weather prediction models.