Prise en compte des caractéristiques thermophysiques des parois dans le processus de séparation des constituants d'un mélange binaire ou d'un nanofluide par diffusion thermogravitationnelle en milieu poreux

par Bafétigué Ouattara

Thèse de doctorat en Energétique et transferts

Sous la direction de Abdelkader Mojtabi.

Soutenue en 2012

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Nous proposons une étude analytique et numérique de l'influence de la conductivité thermique et de l'épaisseur des parois, qui délimitent une cellule rectangulaire horizontale, sur la séparation thermogravitationnelle des constituants d'un mélange binaire. Cette problématique est d'une grande importance pour ce qui est de la séparation des espèces par diffusion thermogravitationnelle. En effet, l'épaisseur de la couche fluide dans une colonne verticale conduisant à la séparation optimale est inférieure au millimètre pour les mélanges binaires étudiés et l'épaisseur des parois utilisées est de l'ordre de deux millimètres ou plus. En outre, la conductivité thermique des parois est généralement différente de la conductivité thermique de la couche poreuse saturée. Nous considérons une cellule horizontale de grande extension longitudinale remplie d'un milieu poreux saturé par un mélange binaire délimité par deux parois de même épaisseur et de même conductivité thermique. Les surfaces extérieures de ces parois sont soumises à un flux de chaleur constant. Nous étudions la stabilité linéaire de la solution d'équilibre et de la solution monocellulaire. La solution d'équilibre trouvée perd sa stabilité via une bifurcation stationnaire ou une bifurcation de Hopf compte tenu des valeurs des paramètres adimensionnels considérés. Pour des facteurs de séparations tels que, les paramètres critiques associés à la transition entre la solution d'équilibre et l'écoulement convectif monocellulaire sont et représentant respectivement le nombre de Rayleigh critique et le nombre d'onde critique avec: Le le nombre de Lewis, le rapport de l'épaisseur des parois sur l'épaisseur de la couche poreuse et le rapport de leur conductivité thermique respective. Un très bon accord est trouvé entre les valeurs critiques obtenues analytiquement et celles obtenues par la méthode spectrale Tau. Nous montrons dans ce travail que la séparation des espèces d'une solution binaire dépend fortement de d et pour des valeurs du nombre de Rayleigh supérieures au nombre de Rayleigh conduisant à la séparation maximale. Il ressort également de cette étude que la séparation est sous-estimée lorsqu'on ne prend pas en compte l'effet des caractéristiques thermiques des parois. Les résultats analytiques et numériques obtenus sont en bon accord. Dans la dernière partie de la thèse, nous présentons des travaux expérimentaux portant sur la séparation dans les nanofluides à base de nanotubes de carbone.

  • Titre traduit

    The influence of thermophysical characteristics of the walls in the process of species separation of binary mixture or a nanofluid by thermodiffusion in porous medium


  • Résumé

    In the present work, we study analytically and numerically the influence of the thermal conductivity and the thickness of the walls of a horizontal rectangular cell on the species separation of binary mixture. This problem is of great importance for species separation by thermogravitational diffusion. The thickness of the fluid layer leading to optimal separation is less than a millimeter for the binary mixtures investigated and the wall thickness is of the order of two millimeters or more. Furthermore the conductivity of the plates is generally different from the conductivity of the saturated porous layer. We consider a horizontal cell of large longitudinal extension filled with a porous medium saturated by a binary mixture bounded by plates of the same thickness and the same thermal conductivity. The outer surfaces of plates are subjected to a constant heat flux. We study the stability of the equilibrium solution and the unicellular flow. The equilibrium solution is found to lose stability via a stationary bifurcation or a Hopf bifurcation depending on the values of the dimensionless parameters of the problem. For separation ratio , the critical parameters associated to the primary transition are and which corresponds to the transition between the equilibrium solution and the unicellular one. In these relation Le is the Lewis number, d is the ratio of plates over the porous layer thickness and d, their respective thermal conductivity ratio. A very good agreement is found between the critical values obtained analytically and the ones obtained by the spectral Tau numerical procedure. We show in this work that the separation of the species in binary mixtures depends strongly on d and d for values of the Rayleigh number greater than the Rayleigh number leading to the maximum separation. It also emerges from this study that the separation is underestimated when we do not take into account the effect of the conducting walls. A good agreement is observed between the analytical results and the numerical simulations. In the last part of the thesis, we undertake experimental work on the separation in nanofluids containing nanotubes of carbon.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (132 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 121-131. Annexes

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 TOU3 0200
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