Development of a CFD time scheme for indoor airflow applications
Développement d'un schéma en temps pour des simulations CFD - Computational Fluid Dynamics - appliquées à l'aéraulique du bâtiment
Résumé
Characterising indoor air flow is an important stake in a reglementary and social context of energy and thermal comfort optimisation of buildings. Concomitantly, the indoor air quality is responsible for a consequent number of deaths world wide and arouse a growing interest of the scientific community. The important number of studies related to the COVID virus propagation emphasises the importance of studying such environments. In this purpose, numerical simulations are a powerful tool to predict the indoor physical phenomena while being cost-less compared to experimental measurements. This thesis focuses on the development of a local scale simulation (CFD) scheme for indoor air flow in order to perform residential (indoor air quality and environment design) and industrial (nuclear safety, sport facilities ventilation) studies.After presenting the aforementioned context in the first chapter, an identification of the main physical phenomena driving the indoor air flow is made in the second chapter. The existing convection models are presented and a choice of the governing equations to be used is made.In the third chapter, to meet the modelling challenges presented, a second order conservative time scheme for variable density flow is proposed, for smooth and singular solutions. First written for dry air, the time scheme is implemented in the CFD open source solver code_saturne. The latter falls within the class of theta pressure correction schemes. The second order time convergence is reached by a time staggered variable arrangement. Moreover, the total energy is conserved thanks to the solving of the internal energy equation completed with a source term based on the kinetic energy discrete equation. Finally, the pressure variation is accounted by linearizing the equation of state, leading to a Helmholtz equation for the pressure correction. The pressure related terms are implicited, leading to faster calculations and avoiding any stability condition related to the acoustic waves. An analysis on the positivity of the thermodynamic variables is made, leading to new CFL and Fourier conditions which are studied in the manuscript. The scheme is verified and validated on test cases going from zero to three dimensions, for incompressible and compressible flows, chosen to represent the different indoor modelling stakes. Furthermore, it is verified that the scheme is compatible with first and second order turbulent approaches (RANS, LES).In the fourth chapter, the dry air time scheme is extended to moist air applications, including variable properties, another equation of state and phase change. Thermodynamic equilibrium is considered and the water mass fraction (in both states) is transported as a scalar. In order to use the set of equations chosen previously, the phase change is accounted using the Newton method related to the solved internal energy. A numerical analysis, verification and validation are made as well.Finally, in the fifth chapter, the numerical tool is applied on the study of the Pierre de Coubertin handball stadium, in the context of the Paris 2024 Olympic Games. The numerical mesh is generated from a three dimensional cloud of points, created from laser measurements. First simulations are performed to identify the stadium dynamic and thermal interest zones and a protocol is proposed for an experimental campaign. Then, a numerical validation is made on the evolution of particles during the french league handball final, where fog sources were ignited outside the stadium, promoting a particle concentration peak inside the system.
La caractérisation d'écoulements d'air intérieur est un enjeu d'importance dans un contexte social et réglementaire visant à optimiser la consommation énergétique et le confort thermique dans le bâtiment. Parallèlement, la qualité de l'air intérieur est responsable de milliers de décès dans le monde et suscite l'intérêt croissant de la communauté scientifique et les institutions; la crise épidémique liée au virus SARS-COVID 19 souligne l'utilité des études de milieux confinés.Dans ce but, la simulation est un outil efficace pouvant reproduire de manière fiable l'écoulement considéré et de manière moins coûteuse comparée à l'expérimental. Cette thèse se focalise sur le développement d'un outil numérique pour les simulations aérauliques à l'échelle locale (Computational Fluid Dynamics, CFD). Ce dernier a pour but d'être appliquée dans des études de milieux intérieurs allant du résidentiel (aide à la maîtrise d'oeuvre, étude de qualité d'air intérieur) à l'industriel (sûreté des centrales nucléaires, ventilation d'enceintes sportives).Après avoir posé le contexte et les enjeux liés à l'aéraulique dans le premier chapitre, l'identification des phénomènes physiques caractérisant l'écoulement d'air intérieur et le choix des équations à utiliser sont présentés dans un second chapitre.Au troisième chapitre, pour répondre aux enjeux de modélisation, un schéma volumes finis d'ordre 2 en temps pour les écoulements à densité variable est proposé, pour des solutions régulières et discontinues. Développé pour l'air sec tout d'abord, le schéma est implémenté dans le logiciel CFD sous licence libre code_saturne. Ce dernier rentre dans la famille des theta-schéma de type prédiction correction. Le second ordre en temps est atteint grâce à une localisation de variables décalées. De plus, l'énergie totale est conservée grâce à la résolution de l'équation de l'énergie interne complétée par un terme source dérivé de l'équation discrète de l'énergie cinétique. Enfin, la variation de pression est prise en compte en linéarisant l'équation d'état, ce qui conduit à une équation d'Helmholtz à résoudre pour la pression. Les termes liés à cette dernière sont implicités, menant à des calculs plus rapides tout en évitant toute contrainte de type CFL liée aux ondes acoustiques. Après une analyse numérique menant à des nouvelles contraintes de stabilité, le schéma en temps est vérifié et validé par de nombreux cas allant de zéro à trois dimensions et du régime incompressible au compressible, représentatifs des enjeux de modélisation aérauliques. Des simulations turbulentes d'ordre un et deux (RANS, LES) sont également réalisées.Le quatrième chapitre présente des développements complémentaires dans permettant d'étendre le schéma à l'air humide avec changement de phase. L'équilibre thermodynamique est considéré et la fraction massique d'eau, sous forme gazeuse et liquide, est transportée. Dans le but d'utiliser les équations choisies auparavant, le changement de phase est traité en utilisant la méthode de Newton à partir de l'énergie interne résolue. De la même manière, une analyse numérique et des vérifications sont réalisées. Des nouvelles conditions CFL sont également étudiées. Enfin, dans le cinquième chapitre, l'outil numérique est appliqué pour pour caractériser l'écoulement d'air intérieur au sein du Stade Pierre de Coubertin dans le cadre des jeux olympiques 2024 de Paris. Le maillage numérique est créé à partir d'un nuage de points issu de mesures de scanners 3D. Des premières simulations mènent à l'identification de zones d'intérêt dynamiques et thermiques et à la création d'un protocole expérimental pour une campagne de mesures. S'en suit une validation du schéma dans le but de reproduire l'évolution de la concentration de particules lors de la finale de la ligue de Handball française, lors de laquelle un pic de PM10 a été mesuré.
Origine : Version validée par le jury (STAR)