On regroupe ici les différentes études envisagées en rapport avec l’aérodynamique et les transferts de chaleur et/ou de masse. Ce theme est scindé en sept projets :
1- Étude des écoulements et des transferts de chaleur dans les machines thermiques : Application a une parabole Stirling solaire .
2- Études numérique et expérimentale de la climatisation par dessiccation-évaporation.
3- Écoulements générés en milieu fluide par une onde ultrasonore focalisée : streaming, écoulement des bulles et des particules solides .
4- Transfert radiatif.
5- Étude du contrôle des écoulements en vue d’améliorer les performances.
6- Étude des systemes de dessalement par humidification déshumidification.
7- Structures cohérentes dans les régions étroites des écoulements et autour d’un demi-cylindre circulaire proche d’une paroi.
Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe, il peut utiliser n’importe quelle source de chaleur (énergie de combustion, énergie solaire…). Le moteur présente un excellent rendement théorique équivalent au rendement de Carnot. La conversion de l’énergie (énergie de combustion, énergie solaire, rejets thermiques…) par les moteurs Stirling intéresse les chercheurs dans plusieurs pays. Les Etats Unies, le Japon et l’Allemagne sont les pays les plus avancés dans ce domaine. Les sociétés SUN MACHINE GMBH et SUN MACHINE GMBH commercialisent des prototypes du moteur Stirling. Une conférence internationale sur les moteurs Stirling est organisée tous les deux ans.
Deux approches seront utilisées. Une approche globale qui consiste à simuler numériquement le fonctionnement des moteurs stirling. Cette approche permettra le choix de la configuration optimale. Une approche fine qui consiste à simuler localement l’écoulement et le transfert de chaleur dans les principaux éléments du moteur Stirling (cylindre, régénérateur, échangeur). Il s’agit de résoudre numériquement les équations de quantité de mouvement et d’énergie dans le cas d’un fluide compressé périodiquement. Nous utiliserons pour cela les méthodes de volumes de contrôles à base d’éléments finis. Cette étude fine permettra d’optimiser les différents éléments du moteur Stirling et de proposer des corrélations concernant les pertes de charge et le transfert de chaleur. Ces corrélations sont indispensables pour l’étude globale. Les outils théoriques mis en place seront ensuite utilisés pour concevoir et réaliser un prototype instrumenté d’un moteur Stirling.
L’écoulement et les transferts de chaleur et de masse par convection naturelle et mixte dans des espaces confinés ou semi - confinés continue à être le sujet de nombreux travaux de recherche théoriques et expérimentaux. Ce grand intérêt est du aux domaines d’application sans cesse en développement, notamment en aérodynamique et en thermo - aéraulique (climatisation et aération des locaux, évacuation des polluants, …..).
A l’échelle du Laboratoire, nous avons étudié numériquement, par la méthode des volumes de contrôle à base d’éléments finis, la convection mixte engendré par un jet à travers une cavité différentiellement chauffée. Une étude paramétrique, en régime transitoire, couvrant une gamme assez large de paramètres a été effectuée.
Il ressort, d’après la bibliographie, que malgré l’existence d’une quantité considérable de travaux relatifs à la convection naturelle et mixte en milieux confinés et semi-confinés, il reste encore un grand nombre de situations qui n’ont pas encore fait l’objet d’étude.
Nous comptons tout d’abord améliorer le code existant en le rendant plus rapide en utilisant des solveurs plus performants et applicable à des géométries complexes en utilisant un maillage non structuré. Nous envisageons, par la suite, tenir compte des effets tridimensionnels. L’étude de quelques problèmes pratiques de convection naturelle et mixte sera enfin effectuée.
Les phénomènes d’évaporation et de condensation sont fréquemment rencontrés aussi bien dans la nature que dans l’industrie. La maîtrise des dépenses énergétiques dans de nombreuses installations (climatiseur, séchoir, distillateur, échangeurs de matière, refroidissement par film, etc..) passe par une évaluation précise des échanges thermique et massique lors de l’évaporation et/ou de la condensation. Ainsi de nombreux travaux sont apparus concernant l’évaporation et la condensation sur des surfaces planes et des tubes et avec et sans films ruisselant. Les études effectuées ont permis de mettre en évidence, dans le cas de l’évaporation de l’eau, l’existence d’une température d’inversion au dessus de laquelle le taux d’évaporation augmente avec l’humidité. L’existence de cette température d’inversion représente un intérêt pratique dans certains procédés industriel tels que le séchage.
En effet, on peut, pour des températures supérieures à la température d’inversion, effectuer le séchage en boucle fermée, ce qui conduira à d’importantes économies d’énergie.
Au niveau du Laboratoire, nous avons mené numériquement des travaux concernant l’évaporation par convection naturelle, mixte et forcée sur une plaque plane. Ces études sont effectuées sous les hypothèses de couche limite et en tenant compte du rayonnement et de l’effet de l’existence d’un film ruisselant. Des résultats concernant l’effet des différents paramètres de contrôle ont été obtenus. La sensibilité de la température d’inversion au débit et à la température du film et à la pression de l’air a été déterminée.
Il ressort de l’étude bibliographique que :
Afin de vérifier l’existence de la température d‘inversion pour la condensation, nous envisageons déterminer l’évolution du taux de condensation en fonction de l’humidité à différentes températures. Nous disposons actuellement d’un code numérique, par différences finies, qui permet de simuler , sous les hypothèses de couches limites l’évaporation et la condensation sur une plaque plane.
Nous avons également un autre code numérique basé sur les méthodes de volume de contrôle à base d’éléments finis qui permet de simuler en formulation elliptique l’évaporation et la condensation lorsque la température pariétale ou la concentration en vapeur sont imposées. Nous envisageons rendre ce code plus rapide et l’étendre aux cas ou le flux de chaleur est imposé, la température et la concentration en vapeur étant inconnues.
Les connaissances acquises et les outils mis en place seront utilisés pour concevoir et réaliser des évaporateurs et des condenseurs.
Le contrôle des écoulements revêt à l’heure actuelle un intérêt croissant pour les scientifiques et les ingénieurs de la Mécanique des Fluides. La quantité de travaux récents sur le sujet donne une idée de cet intérêt, certains chercheurs vont jusqu’à classer le contrôle d’écoulement comme une discipline scientifique à part entière.
Le contrôle peut s’appliquer à la paroi ou à distance. A la paroi, pour contrôler un écoulement on peut agir sur des paramètres comme la rugosité, la forme, la courbure, le mouvement de la paroi rigide, la température et la porosité. Chauffer et refroidir la paroi peut notamment influencer l’écoulement par les variations de la viscosité et de la densité résultantes. Le transfert de masse peut avoir lieu à travers une paroi poreuse ou une paroi avec des fentes : aspiration ou injection de fluide peuvent avoir des effets considérables sur l’écoulement, en influençant en particulier la forme du profil de vitesse près de la paroi et donc la susceptibilité de la couche limite à la transition et au décollement. Différents additifs, tels que des polymères, micro-bulles, gouttelettes, particules, poussières ou fibres, peuvent aussi être injectés à travers la surface, dans l'eau ou l'air du milieu ambiant. Les moyens de contrôle non localisés peuvent être des appareils de génération de vortex, des ondes acoustiques ou des forces électromagnétiques, qui agissent à distance sur une couche de cisaillement.
Un appareil de contrôle peut être passif, n'exigeant aucun apport d’énergie, ou actif, exigeant une dépense d'énergie. Le contrôle actif est divisé en prédéterminé ou réactif. Le contrôle prédéterminé fournit de l'énergie à l'entrée du système en préjugeant en avance l'état particulier de l’écoulement. La boucle de commande dans ce cas est ouverte et aucune sonde n’est exigée. Dans le cas du contrôle réactif, l'entrée du contrôle est ajustée de façon continue. La boucle de commande dans ce cas peut être fermée (boucle d’asservissement : feed-back) ou ouverte (alimentation amont feed-forward).
En ce qui nous concerne, nous utiliserons la technique des jets synthétiques, c’est-à-dire des jets pulsés pariétaux à débit moyen nul. Cette technologie de contrôle actif est basée sur l’utilisation de moteurs électrodynamiques. Elle donne la possibilité de faire varier l’amplitude et la fréquence des pulsations sur de larges gammes, ce qui permet une bonne adaptation aux caractéristiques des écoulements à contrôler.
Les écoulements dans les conduits non - circulaires exhibent des distributions et des variations de vitesse différentes de celles des écoulements dans les conduits circulaires. En particuliers, des phénomènes distincts ont été observés dans les canaux composés dont la section d’écoulement est formée d’une région relativement large et d’une région adjacente assez étroite. Des exemples de ce type de canaux composés incluent les faisceaux de tubes dans une configuration compacte, les canaux contenant des cavités longitudinales et les canaux contenant des ailettes parallèles à l’écoulement principal. Un fait très connu et qui illustre ces phénomènes distincts est l’observation expérimentale que les coefficients locaux de frottement et de transfert de chaleur par convection maintiennent, dans la région étroite, des valeurs relativement large et essentiellement indépendantes de la largeur de l’espace disponible pour l’écoulement. Les analyses de turbulence conventionnelles, basées sur le concept de transport local, ont été incapables de prédire ces observations. Au fait, l’absence d’explication précise a abouti à de nombreuses spéculations, parmi lesquelles la plus prometteuse semble être l’augmentation du mélange et du transport turbulent par la présence, dans la région étroite, de tourbillons quasi-périodiques à grande échelle.
Des pulsations (elles n’ont pas été encore reconnues comme tourbillons) ont été observés en premier par Rowe et al [1974] dans la région étroite de l’écoulement dans un faisceau de tube. Par la suite, Hooper [1983], Hooper et Rehme [1984] et Möller [1991] ont conduits des études systématiques de ces pulsations dans différentes configurations de faisceaux de tubes. Ils ont conclu que la fréquence des pulsations augmente avec le nombre de Reynolds et la diminution de la taille de la région étroite (c'est-à-dire l’espace entre deux tubes). Hooper et Rehme [1984] ont attribué la formation des pulsations à un mécanisme d’instabilité entre canaux parallèles, alors que Möller [1991] les a modelées comme une allée de tourbillons dans le fossé entre les tubes. Guellouz (membre de l’équipe de notre laboratoire) et Tavoularis [1995] ont présenté des mesures dans un conduit rectangulaire contenant une barre circulaire suspendue qui peut être déplacée pour ajuster l’espace entre la barre et la paroi inférieure du conduit. A partir de leurs mesures de spectre et de corrélations spatio-temporelles, ils ont montré que le phénomène périodique est une allé de tourbillons contrarotatifs qui sont transportés avec l’écoulement et dont les centres sont de part et d’autre du plan de symétrie. Ils ont aussi déterminé la vitesse de convection et l’espacement axial de ces tourbillons en fonction de la taille du fossé entre la barre et la paroi.
Des structures similaires ont été observées dans d’autres types de conduits comme par exemple un canal contenant une cavité longitudinale, deux canaux rectangulaires relié par une fente mince (Meyer et Rehme [1994]) ou un conduit contenant deux ailettes ou huit ailettes (Meyer et Rehme [1995]).
Les principales conclusions de ces deux études se résument comme suit : les tourbillons sont présents même pour de faibles nombres de Reynolds, leur espacement axial est indépendant du nombre de Reynolds et leur vitesse de convection est approximativement égale à la moyenne de la vitesse minimale dans la région étroite et la vitesse au bord de cette région.
La seule étude numérique de ces tourbillons est celle de Biemüller et al. [1996] qui a obtenu un accord qualitatif entre ses simulations LES et des résultats expérimentaux.
Guellouz et Tavoularis [2000a,b] ont présenté pour la même configuration que [1995], en plus des mesures conventionnelles de la turbulence, la seule étude jusqu‘à maintenant utilisant la technique d’échantillonnage conditionnés dans un écoulement de ce type. Ils ont démontré que les tourbillons sont des structures cohérentes à grande échelle. Ils ont documenté leurs propriétés et expliquer leurs contributions et effets sur les contraintes turbulentes, le transfert de chaleur et le mélange. Ils ont aussi proposé un modèle physique pour ces structures.
Les études citées ci-haut ont démontré au-delà de tout doute la présence et l’importance de structures cohérentes dans les régions étroites de canaux composés. Cependant, elles n’ont pas décrit adéquatement toutes les propriétés de ces structures. Une continuation logique serait d’élaborer des expériences dans différents canaux composés où les paramètres dynamiques et géométriques de l’écoulement seraient variés systématiquement pour étudier leurs influences sur la formation, la force, l’étendue et l’espacement des structures. Les autres points à élucider sont liés à l’origine des structures. En effet, les processus physiques qui mènent à la formation de ces structures doivent être reliés. Une étude méthodique devrait mener à l’énoncé d’un modèle unifié pour des familles de géométries. Sur le plan théorique, il serait très utile de développer des modèles et corrélations empiriques qui incorporent les effets des structures cohérentes.
Le but ultime de la recherche est d’obtenir un modèle physique qui pourrait prédire avec précision l’écoulement, la transmission de chaleur et le transport de scalaire dans la région étroite des écoulements dans les canaux composés.
Un bon dimensionnement des installations industrielles opérant à haute température (chaudières, chambre de combustion, échangeurs de chaleur, capteur solaire, réacteurs nucléaires…) et la compréhension de plusieurs phénomènes physiques tel que l’effet de serre (échauffement climatique) exigent une prédiction précise de l’écoulement et des transferts de chaleur et de masse, et en particulier le transfert radiatif dans ces systèmes. Par conséquent, plusieurs investigations expérimentales et numériques, décrivant ces mécanismes de transferts et d’écoulement ont été effectuées. Pour ces raisons, plusieurs méthodes ont été développées pour résoudre l’équation de transfert radiatif (ETR). Parmi ces méthodes nous pouvons cité la Méthode des Zones, la méthode de Monte Carlo, la Méthode des Ordonnées Discrètes, la Méthode des Volumes Finis (MVF), la Méthode des Volumes de Contrôle à base d'Éléments Finis (MVCEF).
Il ressort de l’étude bibliographique que nous avons effectuée, que les méthodes existantes pour la prédiction du transfert radiatif présentent les inconvénients suivantes : (i) une non compatibilité avec les méthodes utilisées pour la dynamique des fluides et le transfert de la chaleur par convection et par conduction; (ii) une flexibilité très limitée pour les configurations réelles (géométries complexes); et (iii) un temps de calcul long et l’espace mémoire très important. Par conséquent, et très récemment plusieurs chercheurs se sont intéressés à la mise en place de nouvelles techniques permettant de contourner ces difficultés.
Les investigations au sein du LESTE concernant ce problème de transfert radiatif ont permis dans une première étape de développer un code de résolution numérique de l’ETR basé sur les méthodes de volumes de contrôle à base d’éléments finis en maillages structurés dans des configurations bidimensionnelles cartésiennes (2D Cartésien). Dans une seconde étape, nous avons étendu le modèle développé aux configurations géométriques complexes par l’utilisation de maillages non-structurés. Le code mis en place nécessite, peu de temps de calcul, CPU, et ne présente pas d’oscillations numériques. De plus, un bon accord est obtenu entre les résultats trouvés et ceux de la littérature.
