Contribution à l'étude numérique des transferts de chaleur par convection naturelle ou par convection mixte dans une cavité annulaire horizontale

par Pierre Yves Cadiou

Thèse de doctorat en Énergétique. Génie des procédés

Sous la direction de Guy Lauriat.

Soutenue en 1997

à l'Université de Marne-la-Vallée .

mots clés

• Thermocinétique
• Modélisation tridimensionnelle
• Chaleur -- Convection

Résumé

Les ecoulements crees par un ecart de temperature entre les cylindres et (ou) par la rotation du cylindre interne d'une cavite annulaire horizontale remplie d'air (pr 0,7) ont ete etudies numeriquement. Les equations de conservation ont ete resolues par la methode des volumes finis. En convection naturelle, on a d'abord suppose une structure 2d loin des couronnes fermant l'espace annulaire. Sous cette hypothese, verifiee experimentalement pour des cavites de faible rapport des rayons (r < 1,23), l'ecoulement a ete calcule pour 1,04 r 1,20 lorsque ra 3000. On a montre que l'ecoulement de base, caracterise par deux cellules en forme de croissant, devient thermiquement instable au dela d'un nombre de rayleigh critique, des rouleaux convectifs se formant au sommet de la couche annulaire. Deux branches supercritiques sont stables et chacune d'elles se caracterise par le sens de la vitesse dans le plan de symetrie superieure. Le mecanisme de formation des rouleaux convectifs est explique. On a obtenu une correlation donnant le nombre de rayleigh critique en fonction du rapport des rayons. En convection naturelle, les ecoulements dans des espaces fermes de courte longueur ont ete etudies en modelisation 3d pour r = 1,20 et ra 5000. Pour a = 4, on a situe le seuil d'amplification d'une structure en helice (premier seuil d'instabilite) et le seuil d'apparition de structures oscillantes (second seuil d'instabilite). En convection mixte, on a considere une cavite d'allongement a = 12 et de rapport des rayons r = 5/3 lorsque gr 6000, pour re = 20 ou 90. Des structures stationnaires sont observees dans le domaine d'amplification des instabilites thermiques et dans le domaine d'amplification des instabilites dynamiques. Dans le domaine d'amplification des instabilites dynamiques et thermiques, les ecoulements deviennent oscillants. Le transfert de chaleur entre cylindres est etudie pour ces differents regimes d'ecoulements

Titre traduit

Numerical study of heat transfer by natural or by mixed convection between horizontal concentric cylinders

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