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Contribution à la modélisation simplifiée des fours verriers
Abstract
Les fours verriers industriels opèrent la fusion et la préparation d'un mélange vitrifiable pour le formage. Dans une cuve réfractaire, les masses subissent les processus d'élaboration du verre grâce à l'apport d'énergie par combustion. Pour assurer une qualité maximale du produit tout en respectant les contraintes de fonctionnement, le pilotage des fours est optimisé, notamment grâce aux algorithmes de commande prédictive. Pour ces applications en temps réel, des modèles rapides du four sont nécessaires. Parmi les approches de modélisation rapide, on a choisi ici d'écrire les premiers principes sur une géométrie de four simplifiée moyennant des simplifications sur la structure de l'écoulement et la combustion. Le modèle est du type zonal et fournit les profils moyens de température du four. Le travail a été concentré sur la chambre de combustion et l'originalité tient dans la possibilité de caler le modèle grâce à des paramètres empiriques sur la vitesse de combustion.
... Le cas d'un four verrier Ce travail effectué dans le cadre de la thèse d'Olivier Auchet [16] contribue à la modélisation simplifiée des fours verriers en proposant un modèle à faible charge de calcul présentant des aspects et perspectives d'utilisation originaux. Ce travail constitue la première étape d'un projet de développement des activités de simulation de la division allemande de SIEMENS qui a financé la thèse. ...
Les contributions que nous avons choisi de présenter dans ce mémoire ont trait en général à la commande, à la stabilité et à l'observation des systèmes dynamiques hybrides. Ce mémoire retrace le cheminement de mes recherches sur les dix dernières années au CRAN au sein du projet systèmes dynamiques hybrides et complexes mais également aux travers de projets et collaborations locales (CPER : projet SC2), nationales (GdR SDH, AS 192, ANR ArHyCo) et européennes (Hycon). L'extension du principe du minimum et l'établissement de conditions nécessaires pour la résolution d'un problème de commande optimale pour les SDH ont permis de soulever et de mettre en évidence des difficultés liées à la résolution de ce type de problème. Deux freins principaux à la mise en oeuvre d'algorithmes généraux efficaces ont été identifiés et proviennent d'une part, de l'explosion combinatoire engendrée par la dynamique discrète couplée aux dynamiques continues et d'autre part, de l'existence de trajectoires singulières conduisant nécessairement à des solutions sous optimales. Une discussion sur les méthodes de résolution directes et indirectes montre que même dans des situations simplifiées, l'existence de trajectoires singulières pose un réel problème et les algorithmes utilisant le principe du minimum sont inadaptés sans traitement particulier pour gérer ces situations. Nous montrons sur un exemple qu'il peut être préférable d'utiliser des méthodes directes sous une formulation de tirs multiples. Pour la classe des systèmes affines commutés qui représente une classe de systèmes technologiques très répandus, les points de fonctionnement rendent particulièrement évident le rôle joué par les trajectoires singulières. On constate qu'elles correspondent aux solutions optimales au sens de Fillipov du système commuté. Nous avons proposé une méthode permettant d'effectuer la synthèse de ces trajectoires optimales pour des critères de type temps optimal ou quadratique en temps infini applicable sur des systèmes de dimension faible et en général inférieure ou égale à 3. Une seconde méthode de synthèse à base de commande prédictive utilise les degrés de liberté sur la commande autour du point de fonctionnement pour poursuivre un cycle particulier défini par un critère. L' algorithme rapide d'optimisation des solutions tient compte des discontinuités issues des instants de commutations et utilise les fonctions de sensibilité vis à vis de ces instants. La généralisation aux SDH du calcul des fonctions de sensibilité lorsque le système hybride est le siège de discontinuités de champs et de saut sur l'état, est un résultat utile qui permet d'utiliser des outils nécessitant une différentiation. Le calcul rapide des cycles limites et l'étude de leur stabilité est une première application possible, l'optimisation est très clairement la cible principale. L'étude et l'analyse du comportement asymptotique des systèmes linéaires commutés via la formulation d'un principe d'invariance de Lasalle nous amène à un constat similaire à celui fait sur la commande optimale : Le comportement asymptotique est identique à celui que l'on obtient en considérant les solutions de Fillipov du système commuté. Nous avons montré en considérant plusieurs hypothèses sur les lois de commutation que la séparation est opérée si on restreint la loi de commutation en considérant par exemple des hypothèses fortes de temps d'activation minimum sur les modes. Ces résultats d'analyse sont primordiaux dans la compréhension de la complexité de la dynamique issue de la commutation. La synthèse d'observateurs commutés pour la classe des systèmes linéaires commutés que nous avons proposée, et l'identification algébrique des lois ne permettant pas d'observer le système ont été déduites du principe d'invariance mentionné à l'item précédent. La mise en évidence de la décroissance de la vitesse de convergence de l'erreur d'observation en fonction de la vitesse de commutation est une conséquence de cette caractérisation algébrique. Les travaux réalisés ont permis de soulever de très nombreux problèmes spécifiques à la classe des systèmes commutés (Robustesse vis à vis d'incertitudes paramétriques, extension au cas discret et échantillonné, synthèse de lois préservant l'observabilité, vitesse de convergence de l'observateur, ...) et de dégager des pistes de recherche concernant leur résolution.
... Ce travail effectué dans le cadre de la thèse d'Olivier Auchet [16] contribue à la modélisation simplifiée des fours verriers en proposant un modèle à faible charge de calcul présentant des aspects et perspectives d'utilisation originaux. Ce travail constitue la première étape d'un projet de développement des activités de simulation de la division allemande de SIEMENS qui a financé la thèse. ...
Les contributions que nous avons choisi de présenter dans ce mémoire ont trait en général à la commande, à la stabilité et à l'observation des systèmes dynamiques hybrides. Ce mémoire retrace le cheminement de mes recherches sur les dix dernières années au CRAN au sein du projet systèmes dynamiques hybrides et complexes mais également aux travers de projets et collaborations locales (CPER : projet SC2), nationales (GdR SDH, AS 192, ANR ArHyCo) et européennes (Hycon). L'extension du principe du minimum et l'établissement de conditions nécessaires pour la résolution d'un problème de commande optimale pour les SDH ont permis de soulever et de mettre en évidence des difficultés liées à la résolution de ce type de problème. Deux freins principaux à la mise en oeuvre d'algorithmes généraux efficaces ont été identifiés et proviennent d'une part, de l'explosion combinatoire engendrée par la dynamique discrète couplée aux dynamiques continues et d'autre part, de l'existence de trajectoires singulières conduisant nécessairement à des solutions sous optimales. Une discussion sur les méthodes de résolution directes et indirectes montre que même dans des situations simplifiées, l'existence de trajectoires singulières pose un réel problème et les algorithmes utilisant le principe du minimum sont inadaptés sans traitement particulier pour gérer ces situations. Nous montrons sur un exemple qu'il peut être préférable d'utiliser des méthodes directes sous une formulation de tirs multiples. Pour la classe des systèmes affines commutés qui représente une classe de systèmes technologiques très répandus, les points de fonctionnement rendent particulièrement évident le rôle joué par les trajectoires singulières. On constate qu'elles correspondent aux solutions optimales au sens de Fillipov du système commuté. Nous avons proposé une méthode permettant d'effectuer la synthèse de ces trajectoires optimales pour des critères de type temps optimal ou quadratique en temps infini applicable sur des systèmes de dimension faible et en général inférieure ou égale à 3. Une seconde méthode de synthèse à base de commande prédictive utilise les degrés de liberté sur la commande autour du point de fonctionnement pour poursuivre un cycle particulier défini par un critère. L' algorithme rapide d'optimisation des solutions tient compte des discontinuités issues des instants de commutations et utilise les fonctions de sensibilité vis à vis de ces instants. La généralisation aux SDH du calcul des fonctions de sensibilité lorsque le système hybride est le siège de discontinuités de champs et de saut sur l'état, est un résultat utile qui permet d'utiliser des outils nécessitant une différentiation. Le calcul rapide des cycles limites et l'étude de leur stabilité est une première application possible, l'optimisation est très clairement la cible principale. L'étude et l'analyse du comportement asymptotique des systèmes linéaires commutés via la formulation d'un principe d'invariance de Lasalle nous amène à un constat similaire à celui fait sur la commande optimale : Le comportement asymptotique est identique à celui que l'on obtient en considérant les solutions de Fillipov du système commuté. Nous avons montré en considérant plusieurs hypothèses sur les lois de commutation que la séparation est opérée si on restreint la loi de commutation en considérant par exemple des hypothèses fortes de temps d'activation minimum sur les modes. Ces résultats d'analyse sont primordiaux dans la compréhension de la complexité de la dynamique issue de la commutation. La synthèse d'observateurs commutés pour la classe des systèmes linéaires commutés que nous avons proposée, et l'identification algébrique des lois ne permettant pas d'observer le système ont été déduites du principe d'invariance mentionné à l'item précédent. La mise en évidence de la décroissance de la vitesse de convergence de l'erreur d'observation en fonction de la vitesse de commutation est une conséquence de cette caractérisation algébrique. Les travaux réalisés ont permis de soulever de très nombreux problèmes spécifiques à la classe des systèmes commutés (Robustesse vis à vis d'incertitudes paramétriques, extension au cas discret et échantillonné, synthèse de lois préservant l'observabilité, vitesse de convergence de l'observateur, ...) et de dégager des pistes de recherche concernant leur résolution.
Conventional numerical techniques for determining radiation exchange areas cannot be readily employed in furnaces of complicated geometry. This paper examines the use of a Monte-Carlo technique for this purpose. The approximate exchange areas determined by this technique in a long-furnace model (L. F. M. ) are compared with values obtained by numerical integration. Although large differences between the methods are apparent for some of the 'zone pairs' in the enclosure, the predicted furnace performance was relatively unaffected. The Monte-Carlo technique can, therefore, be used with considerable confidence in 'long-furnace' models. The technique is then applied to a long furnace of complicated shape and it is shown that changes in the geometry can significantly affect the heat flux profile along the length of the furnace.
Investigations have been performed on turbulent natural air convection coupled with thermal radiation in a large flow channel with asymmetric heating. It has shown that at intermediate and high wall emissivities thermal radiation contributes significantly to the total heat transfer by natural air convection, even at low temperatures of the heated wall. Based on the numerical and experimental results a semi-empirical correlation has been developed for describing the heat transfer of turbulent natural convection coupled with thermal radiation in a vertical, rectangular channel with one-sided heated wall.
An improved coupled combustion space model, model for the transport processes in the melting tank, and batch blanket melting model has been developed which is capable of predicting the transport phenomena in a float glass furnace. Model predictions are compared with experimental furnace measurements reported previously. The batch blanket has been approximated as continuous and discrete (island) regions in an attempt to simulate the formation of discrete batch clumps (`logs') observed in real furnaces. Both the boundary location between the continuous blanket and batch island zones, and the batch coverage fraction in the batch island zone are specified as model inputs. The heat fluxes and temperatures at the interfaces between the combustion space, the batch coverage, and the glass tank are calculated in a coupled fashion rather than assumed as input boundary conditions as it must be done in traditional, uncoupled models. A 455-metric-ton pull rate per day, air-fuel fired float-glass melting furnace was simulated. The 100% batch blanket simulation (absence of batch islands) yields over-prediction of glass surface temperature, crown incident heat flux, and crown temperature. The assumption of 85% batch coverage and 15% free glass surface in the batch island zone agrees well with most experimental measurements. The batch island concept added to the batch melting model is a significant improvement over previous approaches for this case.
This paper presents numerical methodology to simulate the transport processes in a glass melting tank. The model also considers the most widely used glass circulation enhancement schemes such as air bubblers and electric boosting. Refining process is simulated by predicting the size distribution and number density of gas bubbles within the glass melt. The gas bubbles are allowed to grow and dissolve within the melt. The diffusion of gas is restricted to a single component, and bubble rupture and collision are neglected. Contribution of gas bubbles to the buoyancy force is also accounted for. The numerical method of solution employed is summarized.
Various methods for advancing the glassmelting process to meet the glass industry's challenges are described. One of the theme for advancing glassmelting is the Batch and cullet heat exchange with the flue gas which permits recycling of otherwise inaccessible flue gas enthalpy. Subatmospheric refining (SAR) is considered to be an important technology for significantly advancing the glassmelting process. Separation of the stages of the glass fusion process into distinct process devices has been identified as one of the most promising ways of advancing glassmelting.
Presents introductory skills needed for prediction of heat transfer and fluid flow, using the numerical method based on physical considerations. The author begins by discussing physical phenomena and moves to the concept and practice of the numerical solution. The book concludes with special topics and possible applications of the method.
The problem under consideration is the development of a computer simulation program for a glass furnace. This program provides a tool for evaluating design and control changes to improve energy efficiency and process stability. The model was run to steady state to obtain the design results presented in this paper. The model included all important measured and manipulated variables (such as temperatures, levels, material flow rates). The physical phenomena important to the glass process (such as melting, convective flow, combustion, and radiation) have been incorporated into the model.