Analyse des structures tourbillonnaires et des mécanismes de transfert thermique dans les échangeurs de chaleur multi-rangs de tubes ailetés : Amélioration et optimisation des performances thermoaérauliques

par Jules Voguelin Simo Tala

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Jean-Luc Harion.


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous analysons l’écoulement et les transferts thermiques convectifs dans des modèles géométriques d’échangeurs de chaleur multi-rangs de tubes à ailettes planes continues. Dans un premier temps, les phénomènes Aérauliques qui s’y développent sont mis en évidence par des mesures PIV et LDA. Une étude locale de la génération, du développement, de l’évolution spatiale etde la dissipation des enroulements tourbillonnaires produits dans l’échangeur est effectuée. Dans un second temps, des simulations numériques U-RANS sont réalisées et validées par comparaison de la structuration de l’écoulement et de la dynamique tourbillonnaire aux mesures expérimentales. Dansun troisième temps, l’influence de ces tourbillons sur le transfert thermique est mise en exergue. Les performances d’échange sont caractérisées selon une analyse de synergie entre le champ de vitesse, les gradients de vitesse et de température ainsi qu’en évaluant les irréversibilités thermoaérauliques produites dans l’écoulement. Dans un quatrième temps, une analyse de l’influence de la forme du tube sur les performances thermoaérauliques locales et globales de l’échangeur est effectuée selon le premier et le second principe de la Thermodynamique. Les transferts thermiques, les pertes visqueuses ainsique les taux de production d’entropie thermique et visqueuse dans le fluide sont évalués. Enfin une méthode d’optimisation géométrique globale basée sur l’analyse factorielle de TAGUCHI est utilisée pour sélectionner les paramètres les plus influents sur les performances thermoaérauliques globales dans l’optique d’une conception optimisée des surfaces d’échange pour une application à la climatisationferroviaire.


  • Résumé

    In this thesis, we analyze the flow and convective heat transfer in multi-row plain fin and tube heat exchangers. The aeraulic phenomena that occur in these devices are first highlighted by means of PIV and LDA measurements. A local study of horseshoe vortices production, development, spatial evolution and dissipation is therefore performed. Secondly, Unsteady RANS modeling of the flow is carried out by means of numerical simulations and the results are validated by comparing theflow structure and the vortex dynamics with experimental data. In a third step, the influence of these vortices on heat transfer is highlighted. The thermalhydraulic performances are characterized on the basis of an analysis of synergy between the velocity field, velocity gradients and temperature gradients.The thermal and viscous entropy rate generated in the flow are locally characterized. In a fourth step, an analysis of the influence of the tube pattern on thermalhydraulic performances is performed by considering the first and the second law of thermodynamics. The convective heat transfer and wallviscous friction losses are evaluated as well as thermal and viscous entropy production rates. Finally an overall geometrical optimization process based on the factorial analysis of TAGUCHI is used to select the major parameters that affect the thermalhydraulic performances aiming to optimize the design ofmultirow plain fin-and-tube heat exchangers for HVAC applications in rail transport.


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