Étude théorique et expérimentale des écoulements oscillants alternés d’un gaz au sein de micro et milli-régénérateurs de moteur Stirling

Theoretical and experimental study of alternate oscillating flows of a gas within Stirling micro and milli-regenerators

• Auteur / Autrice : Emna Dellali
• Direction : François Lanzetta, Sylvie Bégot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 15/10/2018
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Site de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Michel de Labachelerie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Lanzetta, Sylvie Bégot, Michel de Labachelerie, Fethi Aloui, Philippe Marty, Jean-Yves Rauch, Fabien Formosa, Luc G. Fréchette
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fethi Aloui, Philippe Marty
• DOI : 10.70675/72fed2a7z2998z453ez8922ze326a5bfe134

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs Stirling

Gaz -- Écoulement

Mots clés libres

Moteur Stirling

Microrégénérateur

Écoulements oscillants

Microfabrication

Pertes de charge

Transferts thermiques

Stirling engine

Microregenerator

Oscillatory flow

Microfabrication

Pressure drop

Thermal transfer

Résumé

Le présent travail concerne l’étude thermique et fluidique d’un régénérateur thermique de moteur Stirling aux échelles millimétrique et micrométrique. Il s’intègre dans le cadre du projet MISTIC (Micro Stirling Clusters) financé par l’ANR. Le régénérateur thermique étudié permet de limiter les apports en énergie externe au système en recyclant la quantité de chaleur rejetée pendant le cycle thermodynamique. La conception des structures miniatures du régénérateur a été conditionnée par le procédé de fabrication choisi.Les porosités étudiées varient entre ε = 0, 8 et 0, 9 pour un facteur de forme égal à F.F = 0, 3. A l’issue des simulations numériques et des essais expérimentaux réalisés sur les prototypes micrométrique et millimétrique du régénérateur, nous avons pu mettre en évidence respectivement l’effet de la porosité, de la course du piston, des fréquences d’écoulement et du gradient thermique imposé sur les performances thermofluidiques du régénérateur. Par ailleurs, des corrélations du coefficient de perte de charge ont été établies et confrontées à celles présentes dans la littérature. Nous avons également quantifié la puissance de pompage requise pour la circulation alternative du fluide pendant un cycle thermique qui s’est avérée tributaire de la porosité, de la course du piston ainsi que de la fréquence de l’écoulement. Le calcul des efficacités thermiques du régénérateur a été menée sur les deux phases d’accumulation et de restitution de l’énergie thermique au cours du cycle thermodynamique. Nous avons établi une diminution de l’efficacité thermique en fonction du nombre de Reynolds de l’écoulement sans pour autant obtenir de résultats concluants quant à l’effet de la porosité. Une estimation de la figure de mérite a montré une tendance globale croissante du rapport pertes de charges/transferts thermiques en fonction du nombre de Reynolds de l’écoulement.

The present work presents a thermofluidic study of a Stirling engine regenerator both at the micro and millimeter scales within the framework of the MISTIC (Micro Stirling Clusters) project financed by the ANR. The studied thermal regenerator allows to limit external energy supply to the system by recycling the heat rejected during the thermodynamic cycle. It is composed of a staggered-pillars matrix crossed by an oscillatory gas flow. The design of the miniature structures of the regenerator was conditioned by the chosen manufacturing process. The micro-regenerator design was conditioned by the chosen manufacturing process. The investigated porosities vary between ε = 0.8 and 0.9 for a shape factor equal to F.F = 0.3. The numerical simulations and experimental results for both prototype scales highlight the effects of the porosity, the piston stroke, the gas flow frequencies and the thermal gradient on the regenerator thermofluidic performances. Besides, correlations of the pressure loss coefficient were established and confronted with those available in the literature. We also calculated the pumping power required during a thermal cycle which depends on the porosity, the piston stroke as well as the gas flow frequency. The calculation of thermal efficiencies of the regenerator was led on both phases of heat store and heat refund. We established a decrease of the thermal efficiency according to the number of Reynolds, no concluding results were obtained for the effect of the porosity. A rough estimation of the figure of merit showed an increase of the pressure drop to thermal heat loss ratio according to an increasing Reynolds number of the gas flow.