Étude expérimentale et numérique de la structure de l'écoulement et de la dissipation visqueuse dans un échangeur de chaleur à surface raclée

par Mourad Yataghene

Thèse de doctorat en Science pour l'ingénieur. Génie des procédés

Sous la direction de Jack Legrand et de Francine Fayolle.

Soutenue en 2007

à Nantes .


  • Résumé

    Cette thèse porte sur l'étude expérimentale et numérique de l’écoulement et de la dissipation d’énergie par frottement visqueux dans un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR). L’écoulement est analysé au moyen de simulations numériques utilisant un modèle 2D et 3D en utilisant le code commercial de calcul FLUENT et par visualisation par images de particules (PIV). L’étude des gradients de vitesse locaux entreprise par Dumont (1999) nous a permis de valider le maximum de cisaillement en paroi d’échange (Smax) avec le modèle numérique 2D en isotherme. L’espace lame-stator est estimé à 130 m. Le profil de vitesse entre la lame et le stator n’est pas linéaire, mais une présence de recirculation est observée. Nous avons également localisé le maximum de cisaillement qui est situé sur le bord d’attaque de la lame. Dans le cas d’un fluide non-newtonien il est possible de connaître la répartition de la viscosité apparente sur toute la section étudiée. Le même modèle auquel l’équation de la thermique est ajoutée, permettant le suivi de l’élévation de température dans le temps pour l’étude de la dissipation visqueuse. L’augmentation de la température obtenue par dissipation visqueuse est validée par des mesures expérimentales à l’aide des thermocouples. Une forte augmentation de la température due à la dissipation visqueuse est obtenue dans le cas du fluide Newtonien (Emkarox HV45 pure) contrairement aux fluides non-Newtoniens où aucune élévation de température n’est enregistrée. Des corrélations entre les nombres de Nusselt, Reynolds de rotation, Prandtl et Brinkman ont été proposées utilisant des simulations numériques. Un modèle numérique 3D, est proposées et comparé au modèle 2D, sur le plan de profil de vitesse et du maximum de gradient de vitesse, on remarque qu’il n’existe pas de différences significatives entre les deux modèles. Les mesures PIV permettent de valider les profils de vitesse du modèle 3D. Des calculs de déformations sont effectués sur les résultats de vitesse obtenus par PIV, développant ainsi des algorithmes de calcul sous Matlab. Le modèle numérique 3D nous a permis d’identifier l’existence des zones à faibles vitesses dans les bols d’entrée et de sortie, qui peuvent être responsables des hétérogénéités de température dans ces appareils.


  • Résumé

    This thesis deals with experimental and numerical study of the flow pattern and viscous heat dissipation in scraped surface heat exchanger (SSHE). To predict the flow in SSHE, two techniques were used: numerical simulations using a 2D and 3D model was carried out using the commercial code FLUENT and the particles images velocimetry technique (PIV) is used. The study of the local velocity gradients undertaken by Dumont (1999) enabled us to validate the maximum shear rates on the wall of heat exchanger (Smax) with the numerical 2D model in isothermal condition. The model used to simulate the space between the edge of the blade and the wall surface, gives the value of 130 m. The velocity profile in the zone between the edge of the blade and the wall surface is not linear, and the numerical model revealed the presence of recirculation flow. The maximum of shear rates was located edge wall at the cutting edge of the blade. In the case of a non-Newtonian fluid, it is possible to represent the distribution of the apparent viscosity on all the studied cross section. The same 2D numerical model to analyse the viscous dissipation where heat transfer is taken into account. The obtained of numerical results of the temperature increase due to the viscous dissipation was validated with the experimental measurements using thermocouples. In the case of the Newtonian fluid (Emkarox HV45 pure), a strong increase in the temperature due to viscous dissipation was observed and in the case of the non-Newtonian fluids no rise of the temperature has been observed. Correlations between the Nusselt, Reynolds of rotation, Prandtl and Brinkman numbers were obtained by using the numerical simulations. A numerical 3D model, was proposed and compared with the 2D model, within velocity profile and maximum of shear rates, and there are no significant differences were identified. Development of algorithms calculations under Matlab permits to calculate the deformation rate sing the velocity components obtained by PIV. The 3D numerical model enabled us to identify the existence of zones at low speeds in the inlet and outlet bowls, which may be responsible for temperature heterogeneities in these apparatuses.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (219 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 203-211

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Nantes. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2007 NANT 2106
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.