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Le 2 juillet 2021

Soutenance de thèse de Marc BAYDOUN

Modélisation thermique multiphysique des fours de traitement de verre, stratégie de conduite pour une meilleure efficacité énergétique.

Résumé de la thèse en français

Ce travail propose une nouvelle approche de modélisation numérique pour la simulation de problèmes thermiques importants rencontrés dans les fours industriels de traitement du verre, où le rayonnement, la conduction, la convection et l'advection ont lieu simultanément. Pour résoudre le problème de la taille élevée du système thermique, des méthodes de sous-structuration dynamique, méthodes numériques utilisées pour la décomposition de domaine, sont appliquées au modèle discrétisé d'un four de thermoformage de verre industriel. Le modèle discrétisé, basé sur les méthodes des éléments et volumes finis, est appelé le réseau d'interaction des composants (CIN) et a déjà été utilisé dans de nombreux problèmes thermiques. L'application de méthodes de sous-structuration dynamique au CIN a conduit à la création du multi-CIN, utilisé pour les problèmes thermiques importants, en particulier celui du four de thermoformage du verre. En multi-CIN, le domaine est divisé en sous-structures d'équations algébriques le long d'une interface de séparation bien déterminée. Les sous-structures sont ensuite simulées simultanément à l'aide du même solveur thermique utilisé pour le problème général. La technologie des multiprocesseurs a été utilisée pour la résolution parallèle des sous-structures, tandis qu'un algorithme de couplage gère le couplage interfacial entre les sous-structures. En outre, un schéma temporel a été établi en se basant sur le comportement thermique du four durant les cycles de production. Ce schéma comprend une résolution grossière du problème numérique pour les phases de stabilisation et un pas de temps adaptatif pour les phases répétitives stables. Le modèle a été comparé aux mesures expérimentales. Les résultats obtenus ont montré une bonne reproduction du comportement thermique des composants et une précision acceptable. Enfin, des cas d'études d'optimisation énergétique ont été proposés et analysés à l'aide du nouveau modèle développé. Un cas d'étude avec des plaques chauffantes à plus haute émissivité a été considéré, et la consommation d'énergie a été comparée à celle du cas de référence. Les résultats ont montré une réduction potentielle de la consommation d'énergie si d'autres modifications aux éléments du four étaient appliquées.

Résumé de la thèse en anglais

This work proposes a new numerical modelling approach for the simulation of large thermal problems encountered in industrial glass treatment furnaces, where radiation, convection, conduction and advection are encountered simultaneously. To overcome the large size of the thermal system, iterative sub-structuring methods, which are numerical methods used for domain decomposition, are applied to finite-discretized model of an industrial glass thermoforming furnace. The discretized model, based on finite elements and volumes method, is called the component interaction network (CIN) and has been previously used in many thermal problems. Applying iterative sub-structuring methods to CIN led to the creation of multi-CIN, used for large heat problems, in particular the glass thermoforming furnace problem. In multi-CIN, the domain is divided into sub-structures of algebraic equations along a well-determined separation interface. The substructures are then simulated simultaneously using the same direct thermal solver used for the general problem. Multiprocessing technology was exploited for parallel solving of the sub-structures, while a coupling algorithm handled interfacial coupling. In addition, a time-marching scheme was developed based on the thermal behavior pattern of the furnace during production cycles. This scheme includes a coarse numerical problem solving for stabilization phases and adaptive time stepping for stable repetitive phases. The model was compared to the experimental measurements. The results were met with good reproduction of the thermal behavior of the components and acceptable accuracy. Finally, energy optimization study cases were proposed and analyzed using the new developed model. A study case with higher-emissivity heating plates was considered, and the energy consumption was compared to that of the reference case. Results showed potential for reduction in energy consumption if further modifications to furnace elements were applied.

Titre anglais : Thermal multi-physical modeling of heat treatment furnaces, control strategy for higher energy efficiency.
Date de soutenance : vendredi 2 juillet 2021 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint Michel, 75006 Paris - À determiner
Directeur de thèse : Pascal STABAT
Co-encadrant : Maroun NEMER