Étude paramétrique des échanges convectifs turbulents dans les configurations d’intérêt pratique

Parametric study of turbulent convective flows in configurations of practical interest

• Auteur / Autrice : Ridha Mebrouk
• Direction : Mohammed Lachi, Stéphane Fohanno
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences - STS
• Date : Soutenance le 30/06/2017
• Etablissement(s) : Reims en cotutelle avec Université Mentouri-Constantine
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne ; 2000-2011)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Recherche en Sciences Pour l’Ingénieur (GRESPI) EA 4694 (Reims, Marne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Lachi, Farid Mechighel, Riad Benelmir, Rachid Bessaih
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abderrahim Boudenne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides caloporteurs

Chaleur -- Convection

Mots clés libres

Convection naturelle

Écoulement turbulent

Nanofluide

Simulation numérique

Cfd

Natural convection

Turbulent flow

Nanofluid

Numerical simulation

Cfd

Résumé

Cette thèse présente les résultats de deux études : la première concerne la convection naturelle turbulente dans une cavité rectangulaire chauffée uniformément par le bas et remplie d’un nanofluide et la seconde concerne l’investigation du transfert de chaleur conjugué dans un échangeur de chaleur à tubes ailetés.L’enceinte de la première étude a un faible rapport d’aspect. Ses parois gauche, droite et supérieure sont maintenues à une température relativement basse. Le fluide de travail est un nanofluide constitué d’eau et de nanoparticules, soient d’alumine (Al2O3), ou de cuivre (Cu) ou d’oxyde de cuivre (CuO). L’influence des paramètres tels que le nombre de Rayleigh (basé sur la hauteur H de la cavité et la densité de flux de chaleur), le type de nanofluide et la fraction volumique des nanoparticules sur la performance de refroidissement est présentée. Les équations de Navier-Stokes et les équations de conservation de la masse et de l'énergie sont résolues pour une géométrie bidimensionnelle par la méthode numérique des volumes finis. L'algorithme SIMPLE est utilisé pour le couplage pression-vitesse. La discrétisation des termes convectifs est faite avec le schéma QUICK. Le modèle de turbulence k-epsilon standard est utilisé. Le maillage du domaine simulé est généré par le code Gambit. Les résultats montrent que pour toutes les valeurs de Ra, le nombre de Nusselt moyen augmente d’une façon linéaire et monotone avec l’augmentation de la concentration des nanoparticules dans le fluide de base. Le flux de chaleur moyen prend des valeurs qui diminuent en fonction de l’ordre suivant : Cu, CuO et Al2O3.La deuxième étude est une investigation numérique des caractéristiques dynamique et thermique d'un échangeur de chaleur. Les calculs supposent un transfert de chaleur et un écoulement en régime permanent. Le nombre de Nusselt et le coefficient de frottement qui caractérisent l'échangeur de chaleur sont déterminés pour différentes valeurs du nombre de Reynolds. L’équation de conservation de l'énergie dans le fluide et l’équation de conduction de la chaleur dans le solide en trois dimensions ont été résolues avec les équations de la conservation de la masse et de la quantité de mouvement afin de déterminer ces caractéristiques. Les deux régimes d'écoulement laminaire et turbulent sont considérés. L'effet de la modélisation de la turbulence a été étudié en utilisant trois modèles différents (Spalart-Allmaras modèle de turbulence à une équation, le modèle k-epsilon ; standard et le modèle RSM). La validation du modèle a été effectuée en comparant les facteurs de frottement, f, et le facteur, j, de Colburn avec les données expérimentales trouvées dans la littérature. Les résultats tracés ont montré un bon accord qualitatif entre les résultats numériques et les données expérimentales. Les résultats montrent également que le plus simple des trois modèles de turbulence testés (à savoir. Spalart-Allmaras) donne les valeurs les plus proches des données expérimentales.

This thesis presents the results of two studies: the first concerns natural turbulent convection in a rectangular cavity heated from the bottom wall and filled with a nanofluid and the second relates to the investigation of conjugate heat transfer in a fin-and-tube heat exchanger.The cavity of the first study is tall and has a heat source embedded on its bottom wall, while its left, right and top walls are maintained at a relatively low temperature. The working fluid is a water based nanofluid having three nanoparticle types: alumina, copper and copper oxide. The influence of pertinent parameters such as the Rayleigh number, the type of nanofluid and solid volume fraction of nanoparticles on the cooling performance is studied. Steady forms of twodimensional Reynolds-Averaged-Navier-Stokes equations and conservation equations of mass and energy, coupled with the Boussinesq approximation, are solved by the volume control based on the discretisation method employing the SIMPLE algorithm for pressure-velocity coupling. Turbulence is modeled by using the standard k-epsilon model. The Rayleigh number, Ra, is varied from 2.49xE09 to 2.49xE11. The volume fractions of nanoparticles where varied too. Stream lines, isotherms, velocity profiles and temperature profiles are presented for various combinations of Ra, the type of nanofluid and solid volume fraction of nanoparticles. The results are reported in the form of average Nusselt number on the heated wall. It is shown that for all values of Ra, the average heat transfer rate from the heat source increases almost linearly and monotonically as the solid volume fraction increases. Finally the average heat transfer rate takes on values that decrease according to the ordering Cu, CuO and Al2O3.In the second study We determined the heat transfer and friction characteristics of a realistic fin-and-tube heat exchanger. The computations assume steady-state heat transfer and fluid flow. Nusselt number and friction factor characteristics of the heat exchanger are presented for various values of Reynolds numbers. The energy conservation and the heat conduction equations in 3 dimensions have been solved in the fluid and the solid respectivelyalong with the mass and momentum conservation equations in order to determine these characteristics. Both laminar and turbulent flow regimes are considered. The effect of turbulence modeling was investigated using three different models (the one equation Spalart-Allmaras turbulence model, the standard k-epsilon; model and the RSM model). The computations allowed the determination of the dynamic and thermal fields. Model validation was carried out by comparing the calculated friction factor f and Colburn j-factor to experimental results found in the literature. The plotted results showed a qualitatively good agreement between numerical results and experimental data. The results obtained also showed that the simplest of the three turbulence models tested(i.e. Spalart-Allmaras) gives the closest values to the experimental data.