Transfert de chaleur par rayonnement dans le module CVC de SOLIDWORKS Flow Simulation

Le rayonnement est l'un des trois principaux modes de transfert de chaleur, avec la conduction et la convection. Contrairement à la conduction et à la convection, qui nécessitent un milieu (solide, liquide ou gazeux) pour transférer la chaleur, le rayonnement peut se produire dans le vide.

Le transfert de chaleur par rayonnement est un aspect essentiel de l'analyse thermique dans les systèmes CVC. Dans SOLIDWORKS Flow Simulation, le module CVC offre des fonctionnalités avancées permettant de simuler le transfert de chaleur par rayonnement, ce qui améliore la précision et la fiabilité des simulations thermiques.

SOLIDWORKS Flow Simulation propose deux modèles principaux pour la simulation du transfert de chaleur par rayonnement :

1. Méthode de transfert discret
2. Méthode des coordonnées discrètes (disponible uniquement avec le module CVC)

La méthode des coordonnées discrètes est exclusive au module HVAC et offre des capacités avancées pour la simulation du transfert de chaleur par rayonnement complexe. Comme indiqué dans la référence technique de SOLIDWORKS Flow Simulation, le modèle des coordonnées discrètespermet de résoudre de manière approximativel'équation de transfert radiatif(RTE) en discrétisant à la fois le domaine XYZ et les variables angulaires qui spécifient la direction du rayonnement [1].  Dans cette méthode,l'équation de transfert radiatif(RTE) est résolue pour un ensemble de directions discrètessreprésentant le domaine directionnel de 4π en toute position au sein du domaine de calcul défini par le vecteur de positionr.

Le domaine directionnel est divisé en un nombre déterminé d'angles solides ou de directions égaux. Le nombre total de directions est défini par la valeur du « niveau de discrétisation » spécifiée par l'utilisateur. Au sein de chaque direction, l'intensité du rayonnement est considérée comme constante.

Le modèle des coordonnées discrètes

Sur la base des hypothèses suivantes [1] :

• L'ensemble du domaine directionnel de 4π, en tout point du domaine de calcul, est discrétisé en un nombre spécifié d'angles solides égaux.
• Les solides absorbant le rayonnement (semi-transparents) absorbent et émettent du rayonnement thermique conformément au coefficient d'absorption spécifié pour le matériau solide concerné. La diffusion n'est pas prise en compte.
• Les surfaces des solides opaques absorbent le rayonnement thermique incident selon leurs coefficients d'émissivité spécifiés ; le reste du rayonnement incident est réfléchi de manière spéculaire ou diffuse, ou selon ces deux modes, conformément au coefficient de spécularité spécifié.
• Les solides absorbant le rayonnement réfléchissent celui-ci de manière spéculaire ; le rayonnement est réfracté conformément aux indices de réfraction spécifiés du solide et du milieu adjacent. La valeur de l'indice de réfraction ne peut dépasser 4.

Le spectre peut être défini pour le rayonnement provenant des limites du domaine de calcul et pour les sources de rayonnement situées à la surface de solides opaques. Une approche multibande (bandes discrètes) est utilisée pour modéliser les dépendances spectrales dans le transfert de chaleur par rayonnement.

Au niveau des surfaces des solides opaques, le rayonnement thermique incident est absorbé en fonction du coefficient d'émissivité spécifié, et le reste du rayonnement incident est réfléchi. Les surfaces opaques peuvent également émettre un rayonnement thermique par diffusion, en fonction de la température de surface et du coefficient d'émissivité spécifié. Comme tous les fluides sont considérés comme transparents au rayonnement thermique, celui-ci se propage à travers eux, ainsi qu'à travers les solides transparents, sans aucune interaction avec eux.  Cependant, lorsque le rayonnement thermique est tracé à travers le domaine de calcul par la méthode des coordonnées discrètes, un effetde«fausse diffusion »dû aux imprécisions de la discrétisation peut apparaître. La création d'un maillage de calcul plus fin, associée à un niveau de discrétisation plus élevé, permet de réduire cet effet.

L'exemple ci-dessous illustre le transfert de chaleur par conduction et par rayonnement, y compris l'absorption du rayonnement dans les solides semi-transparents et le spectre de rayonnement d'un projecteur halogène fonctionnant en intérieur sans refroidissement forcé. Le modèle se compose d'un projecteur halogène doté d'un boîtier en aluminium abritant une vitre frontale en verre de quartz, un joint en silicone, un réflecteur interne en aluminium, un support de lampe en céramique et une lampe halogène linéaire de 150 W.

La source de rayonnement a été définie pour le filament de l'ampoule, et la puissance de diffusion a été définie comme dépendant du taux de transfert thermique par convection du filament.

Les surfaces radiatives ont été définies à l'aide de propriétés de matériau définies par l'utilisateur et du matériau de paroi « corps noir » prédéfini dans la base de données technique de SOLIDWORKS Flow Simulation.

Les matériaux des ampoules et du verre ont été définis comme semi-transparents à l'aide de l'option « absorbant ». Ce paramètre permet à ces deux solides d'absorber le rayonnement thermique à l'intérieur de leur volume.

Pour améliorer la précision de la simulation lors de l'utilisation de la méthode des coordonnées discrètes, il est possible de définir un niveau de discrétisation plus élevé dans l'option de contrôle « Calcul ».

L'image ci-dessous présente le graphique de surface illustrant la répartition de la température du verre ainsi que le graphique en coupe montrant la répartition de la température totale, tant pour le fluide que pour les solides.

Une analyse thermique précise est essentielle pour concevoir des solutions de chauffage, de ventilation et de climatisation efficaces et performantes. Les fonctionnalités avancées de simulation du rayonnement du module CVC permettent aux ingénieurs de :

• Évaluer l'impact de l'apport de chaleur solaire sur l'intérieur des bâtiments et les charges des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation.
• Analyser les transferts thermiques entre les surfaces, notamment les murs, les sols et les plafonds, afin d'optimiser le confort thermique et l'efficacité énergétique.
• Modéliser des matériaux semi-transparents afin de simuler avec précision le comportement de matériaux tels que le verre, qui peuvent absorber et transmettre le rayonnement.

En tirant parti des fonctionnalités avancées de la méthode des coordonnées discrètes, les utilisateurs peuvent obtenir des simulations d'une plus grande précision, ce qui permet de mettre au point des innovations produits mieux fondées sur la conception.