Study of convective heat transfer phenomena for turbulent pulsating flows in pipes

par Marco Simonetti

Thèse de doctorat en Energetics

Sous la direction de Pascal Higelin.

Le président du jury était David Chalet.

Le jury était composé de Pascal Higelin, David Chalet, Alberto Broatch, Christian Caillol, Clement Dumand, Pawel Wawrzyniak.

Les rapporteurs étaient David Chalet, Alberto Broatch.

  • Titre traduit

    Etude du transfert thermique convectif dès écoulements turbulents pulsés dans un conduit cylindrique


  • Résumé

    Dans le but de réduire la consommation en carburant et les émissions de CO2 des moteurs à combustion interne, un des leviers, qui a intéressé diffèrent acteurs dans le secteur automobile, est la récupération de l’énergie thermique disponible dans les gaz d’échappement. Malgré différents technologie ont été investigués dans le passé; les transferts de chaleur qui apparient dans les gaz d’échappement n’ont pas encore étés suffisamment étudiés. Le fait que les échanges de la chaleur apparent dans des conditions pulsatives, notamment due aux conditions de fonctionnement moteur, rende les connaissances acquis jusqu’à présent limités et ne pas exploitables. A l’état actuel on n’est pas capable de pouvoir prédire le transfert thermique convectif des écoulements pulsé. Les travaux de cette thèse s’instaurent dans la continuité de ce besoin, l’objectif principal est donc l’étude expérimentale du transfert thermique convectif des écoulements turbulent pulsés dans un conduit cylindrique. La première partie de ce travail a été consacrée à le dimensionnement d’un moyen d’essais permettant la création d’un écoulement pulsé type moteur; en suite différents méthodes de mesures ont étés développes afin de connaitre les variations instantanés de vitesse et température de l’écoulement. Plusieurs essais ont été reproduits afin de caractériser l’impact de la pulsation sur le transfert de la chaleur. Les résultats expérimentaux ont été analysés avec deux approches différentes: dans un premier temps une approche analytique 1D a permis de mettre en évidence le mécanisme principal responsable de l’amélioration du transfert thermique convectif,ainsi, il a fourni des éléments supplémentaires pour le futur développement de modèles mathématiques plus adaptés à la prédiction des transferts d’énergie. En suite une approche 2D, supporté d’une phase de modélisation numérique, a permis de caractériser le mécanisme de transport radial d’énergie thermique.


  • Résumé

    Waste Energy Recovery represents a promising way to go further in fuel saving and greenhouse emissions control for Internal Combustion Engine applications. Although several technologies have been investigated in the past few years, the convective heat transfers, playing an important role in the energy exchanges at the engine exhaust, has not receive enough attention. Heat transfers, in such applications, occur in pulsating conditions because of the engine operating conditions, making thus the actual knowledge of the heat transfer phenomena limited and not exploitable. Nowadays there is not any model capable to predict convective heat transfers for pulsating flows. In this context, the present thesis addresses the purpose to study the convective heat transfer phenomena, by an experimental approach, occurring for turbulent pulsating flows in pipes. In the first part of this work, an experimental apparatus has been designed to reproduce an exhaust type pulsating flow in fully managed conditions, as well as, several measurement techniques have been developed to know the instantaneous profiles of air temperature and velocity. Many experiments have been performed in order to characterize the impact of the flow pulsation on the convective heat transfers. In the second part of this work, the experimental results have been analyzed with two different approaches: firstly, with a 1D assumption the time-average convective heat transfers has been computed, and the major mechanism responsible of the heat transfer enhancement has been pointed out. Furthermore, it has been possible to highlight the mathematical term representative of such mechanism, which should be accounted in future to define a more adapted numerical model for the heat transfer prediction. In a second phase with a 2D assumption, and, with an energy and a fluid-mechanic computational phase, the radial transport of thermal energy has been characterized for a pulsating flow.


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