Modélisation du couplage conducto-convecto-radiatif à l’échelle continue en vue de l’optimisation topologique d’absorbeurs solaires volumiques

La réduction des émissions des gaz à effet de serre est aujourd’hui un enjeu environnemental majeur. Cela est particulièrement vrai pour les industries usant de hautes températures (T> 1000∘^{\circ}C) pour lesquelles la génération de la chaleur est assurée principalement par la combustion de gaz. L’usage du rayonnement solaire concentré au sein d’absorbeurs solaires volumiques ouverts est une voie pour produire de la chaleur décarbonnée à de telles températures. L’enjeu est alors de s’assurer de leur longévité pour de hauts taux de conversion (> 85 %). Cela passe par un design optimisé de leur architecture tridimensionnelle qui doit permettre de maximiser les échanges convecto-conducto-radiatifs, pour des conditions fixées d’insolation et de rentrée d’air. Pour ce faire, un code d’optimisation topologique 2D axisymétrique, tenant compte du transport convecto-conducto-radiatif à l’échelle continue a été développé. La propagation du flux solaire concentré (1 MW/m2) est régie par une équation de transport-extinction et l’écoulement de l’air par l’équation de Darcy-Forchheimer. Les pertes radiatives sont simulées par la méthode P1, basé sur un développement en harmoniques sphériques à l’ordre 1 de la luminance, simplifiant l’équation du transfert radiatif en une équation de diffusion. Les valeurs des différentes grandeurs physiques effectives (coefficient d’extinction, coefficient d’échange thermique, etc.) alimentant les équations couplées sont données en fonction de la porosité et/ou du diamètre nominal des pores. L’optimisation topologique se fait par un calcul des états adjoints et par descente de gradient. Différentes fonctions de coût ont été utilisées comme la maximisation de rendement de conversion solaire-chaleur et la minimisation des gradients thermiques spatiaux. Les premiers résultats donnent pour un faisceau incident gaussien des absorbeurs à gradient de porosité selon l’axe de propagation du rayonnement solaire.

Article

PDF : download