Analyse des mécanismes turbulents au sein d'un écoulement anisotherme entre parois ondulées : influence sur le transfert thermique
par Minh Hoang Hong
Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion
Sous la direction de Son Doan-Kim et de Dominique Couton.
Soutenue en 2009
à Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aéronautique .
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Résumé
La connaissance des mécanismes turbulents au sein des canaux ondulés est à ce jour encore limitée malgré les travaux réalisés dans la dernière décennie, d'une part, à cause de la complexité des facteurs géométriques et des faibles dimensions qui rendent des expérimentations difficiles, et d'autre part, le comportement de l'écoulement turbulent est assez mal connu dans des géométries confinées. Ce travail de thèse s'intéresse au rôle joué par la turbulence au sein du canal ondulé et à son influence sur le transfert de la chaleur. Pour cela, l'écoulement dynamique est caractérisé finement à travers les champs moyens et les moments d’ordre deux grâce aux mesures par PIV (rapide et standard) et aux simulations des grandes échelles (LES). La quantification du transfert de chaleur est obtenue par thermométrie par thermocouples fins pariétaux tandis que les champs de température sont décrits par LES. L'ondulation induit le comportement moyen de l'écoulement. En effet, les composantes longitudinale et transversale sont périodiques, tandis que la composante verticale est liée au confinement. En régime établi, l'écoulement présente des zones spécifiques : une couche de cisaillement est générée en aval du sommet, et s'accompagne de fortes fluctuations longitudinale et transversale corrélées; le développement de cette couche s'opère dans la partie concave de l’ondulation (appelée le creux) ; puis elle vient impacter en aval du creux où se manifeste une augmentation significative des fluctuations verticales. L'analyse du bilan d'énergie cinétique turbulente a mis en évidence un comportement complexe : la production est liée à la couche de cisaillement, la dissipation s'effectue dans le creux, mais une partie d'énergie est convectée ou diffusée vers la paroi et vers l'écoulement central. Bien que les fluctuations thermiques les plus importantes soient localisées dans la couche de cisaillement, le transfert de chaleur maximum se manifeste dans la zone d’impact. Pour compléter l'étude, des travaux expérimentaux et numériques ont été menés pour différents écartements entre parois, et différentes amplitudes d'ondulation. Ces résultats ont permis de mieux appréhender le rôle de ces paramètres et de quantifier leur influence sur le comportement dynamique et sur le transfert thermique : l'augmentation de l'intensité de turbulence et du transfert de chaleur est obtenue avec un écartement plus grand ou une amplitude plus forte. Ces résultats sont essentiels pour optimiser les performances des intercalaires ondulés dans les échangeurs de chaleurs compacts.
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Titre traduit
Analysis of turbulent mechanisms in flow between anisothermal wavy-channel, influence on heat transfer
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Résumé
Knowledge of of turbulent mechanisms in wavy channel so far is still limited despite the work done in the past decade because of the complexity of geometrical factors and the small size which makes experiments difficult. This thesis examines the role played by turbulence inwavy channel and its influence on heat transfer. The dynamic behaviour is characterized by the mean and fluctuating flow through PIV measurements (rapid and standard) and large eddy simulation (LES). Quantification of heat transfer is obtained by wall thermocouples while temperature fields are described by LES. The wavy induces the average behaviour of the flow. Indeed, the longitudinal and transverse components are periodic, while the vertical component is related to confinement. In steady state, the flow presents specific areas: a shear layer is generated below the crest, accompanied by strong correlated longitudinal and transverse fluctuations, the development of this layer occurs in the concave part of the wavy-channel (called through) ; in the downstream of the through, the shear layer impacts on the wall and a significant increase in vertical fluctuations is observed. The analysis of turbulent kinetic energy showed a complex behaviour: production is related to the shear layer, dissipation occurs in the through, but some energy is diffused or convected towards the wall or the central flow. Although fluctuations of temperature are mostly located in the shear layer, the maximum heat transfer occurs in the impact zone. To complete the study, experimental and numerical work were carried out for different spacings between walls, and different wavy amplitudes. These results have extended the knowledge of the role of these parameters and quantified their influence on the dynamic and thermal behaviour: the increase of turbulence intensity and of heat transfer is obtained with a geater waviness or a larger distance between wavy walls. These results are essential to optimize performance of wavy fins compact heat exchangers.
