Modification des transferts de chaleur en convection naturelle par perturbation thermique localisée

Heat Transfer Modification on Natural Convection Flow by Using a Localized Action

• Auteur / Autrice : Paul Chorin
• Direction : Didier Saury, Florian Moreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 14/12/2018
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Patrick Le Quéré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Vauquelin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francesca Chilla, Shihe Xin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Instabilité de Rayleigh-Taylor

Turbulence

Optimisation mathématique

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Transfert de chaleur

Chaleur -- Convection

Mots clés libres

Cavité différentiellement chauffée

Differential heated cavity

Résumé

Ce travail de thèse traite des modifications de l’écoulement et des transferts de chaleur en convection naturelle. La configuration retenue est celle de la cavité différentiellement chauffée de rapport de forme 4. Les modifications sont réalisées au moyen d’une perturbation locale de faible étendue spatiale positionnée sur la paroi chaude pour une valeur du nombre de Raleigh se situant autour de la valeur critique correspondant à la transition d’un état stationnaire à une état instationnaire. Deux études complémentaires ont été menées. Une étude numérique préliminaire a été réalisée, dans laquelle une perturbation d’origine thermique a été introduite sous la forme d’un changement local de la température imposé sur la paroi isotherme. Il a été montré que l’on peut changer le régime d’écoulement depuis un état stationnaire vers un état instationnaire. De plus, les transferts de chaleur peuvent être modifiés de façon significative par un choix approprié des paramètres de la perturbation (fréquence, amplitude et position). Une étude complémentaire sur un dispositif expérimental a été conduite avec le positionnement d’un obstacle cylindrique sur la paroi chaude. Deux types d’obstacles ont été choisis : isolant et conducteur. L’impact sur la thermique et la dynamique de la longueur de l’obstacle,de sa position verticale, du nombre de Rayleigh de l’écoulement ou encore du nombre d’obstacles introduits a été analysé dans le plan vertical à mi- profondeur.

This thesis deals with the modifications of heat transfer and fluid flow in natural convection. The configuration chosen is a differentially heated cavity of aspect ratio equal to 4. The modifications are achieved using a small spatial extent disturbance located at the hot wall at a Rayleigh number value close of the critical value corresponding to the transition from steady to unsteady state. Two complementary studies were conducted. A preliminary numerical study was carried out, in which a thermal disturbance was introduced by means of a local change of the imposed temperature at the isothermal wall. It was shown that the flow regime can be changed from a steady state to an unsteady one. In addition, the heat transfers can be significantly modified by an appropriate choice of disturbance parameters (frequency, magnitude and location). An additional study, using an experimental device, was conducted by positioning a cylindrical obstacle on the hotwall. Two types of obstacles were chosen : insulating and conductive. The influence on heat transfers of the length of the obstacle, its vertical location, the Rayleigh number ofthe flow as well as the number of obstacles was analyzed in the vertical mid-depth plane.