Optimisation Des Échanges Thermiques Conjugués Dans Les Géométries Complexes

Résumé: Cette thèse est scindée en deux grandes parties : Une première partie dédiée à l’étude de l’effet de la position et de la taille d’une paire de nervures carrées sur l’optimisation du transfert de chaleur convectif en régime instationnaire dans un canal asymétriquement chauffé et son environnement, tandis que la seconde partie est consacrée au transfert de chaleur dans une cavité complexe. La première partie considère l’amélioration par convection naturelle de transfert de chaleur dans un canal vertical ouvert émergé dans une cuve (son environnement) remplie d’eau. Pour ce faire, deux études ont été menées : Une investigation expérimentale sur la position de deux nervures adiabatiques de forme carrée installés symétriquement sur chaque paroi du canal asymétriquement chauffé. La paroi gauche est composée d'une partie centrale chauffée tandis que la paroi droite est adiabatique. Trois configurations de nervures ont été mises en valeur, une première qui considère le cas où les deux nervures sont fixées juste en haut de la zone chauffée, la deuxième correspond au cas où les deux nervures sont fixées au centre de la zone chauffée (centre du canal) et une dernière où la paire de nervures est installée en bas de la zone chauffée. L'étude a été réalisée pour différents flux de chaleur uniforme (650, 700 et 780 W/m2) correspondant à différents nombres de Rayleigh modifiés (3,65 × 106, 3,93 × 106 et 4,4 × 106). Les résultats sont présentés sous forme de contours de lignes de courants, de température à la surface de la zone chauffée et des coefficients de transfert de chaleur locaux et moyens. On a pu constater que la meilleure position des nervures pour l'extraction de la chaleur dépend du nombre de Rayleigh. Dans notre cas, la position du haut est la position optimale pour des nombres de Rayleigh modifiés petits et modérés. L’autre étude dans cette première partie a été menée numériquement sur l’effet de la taille de la même paire de nervures avec une densité de flux imposée sur la zone chauffée du canal égale à 510 W/m2 qui correspond à un nombre de Rayleigh modifié égale à 2,85 × 106. Ces deux nervures sont placées juste au-dessus de la zone chauffée dans le canal. Différentes dimensions des nervures sont étudiés dans l'intervalle de 0 ≤ Rs ≤ 6b/18 où b est la largeur du canal. Des résultats tels que le nombre de Nusselt moyen, débit massique, les lignes de courant et isothermes sont rapportés et qui montrent que la variation des tailles de nervures modifie de manière significative le transfert de chaleur ainsi que la distribution d'écoulement du fluide le long du canal. Aussi, Une taille optimale a été trouvée. Dans la deuxième partie une étude numérique sur les effets des insertions solides sur l'optimisation du transfert thermique conjugué (convection-conduction) dans une géométrie complexe a été menée. La géométrie étudiée constituée d’une cavité et des insertions de différentes tailles. La cavité est carrée et possède une paroi supérieure horizontale épaisse, dont la conductivité thermique peut avoir différentes valeurs (0,1kfl à 5,0 kfl), où kfl est la conductivité thermique du fluide. Les frontières horizontales supérieure et inférieure de la cavité sont toutes les deux considérées comme adiabatiques tandis que les deux autres parois verticales sont maintenues isothermes à une température froide Tc. La cavité est munie d’un cylindre elliptique horizontal placé au centre et maintenu à une température chaude Th. L’excentricité du cylindre elliptique prend des valeurs entre 0,25 et 1 avec un pas de 0,25. Les calculs sont effectués pour des nombres de Rayleigh variant de 103 à 106, pour des rapports de conductivité thermique des insertions solides variant entre 0,1 et 1000 et pour différentes positions, dimensions et nombres d’insertions solides. La formulation de la moyenne harmonique est utilisée pour traiter les changements brusques des propriétés aux interfaces solide/fluide et solide/solide. Le fluide employé dans ce problème est l’air (Pr = 0.71) qui obéit à la loi de Boussinesq. L'écoulement dans la cavité est laminaire, bidimensionnel et le problème est formulé comme un cas stationnaire et résolu en employant le code commercial de calcul FLUENT avec un maillage non- uniforme. Les résultats montrent que le taux de transfert thermique global est fortement affecté par le nombre de Rayleigh, la taille des insertions solides et les rapports de conductivités thermiques.

Publié dans la revue: