| Titre : | Étude de l’effet géométrique, physique et thermique des protubérances montées dans un canal vertical sur la convection naturelle en régime turbulent |
| Auteurs : | Cherif BEDJAOUI, Auteur ; Abdelhafid Moummi, Directeur de thèse |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | Biskra [Algerie] : Université Mohamed Khider, 2017 |
| Note générale : |
MOTS-CLES :
Convection naturelle, turbulence, canal vertical, protubérances, rapport de forme, porosité, simulation numérique, k-epsilon. |
| Langues: | Français |
| Résumé : |
RESUME :
Dans cette étude, le système considéré est un canal vertical dans lequel les transferts se déroulent par convection naturelle turbulente. Sur l'une des parois de ce canal sont fixées des protubérances, équidistantes de section rectangulaire, soumises à un flux de chaleur uniforme et de densité constante. Ces protubérances sont constituées soit d'un matériau poreux saturé d'eau soit d'un matériau non poreux. Le travail consiste à caractériser la convection naturelle en fonction du rapport d’aspect des protubérances, de la densité du flux de chaleur, de la nature du matériau de la protubérance, de sa porosité. Ainsi, l'analyse de l'influence des paramètres physiques du système canal-protubérances sur l'hygrométrie et la température de l'air circulant dans le canal peut aider à améliorer les connaissances, par exemple, de la climatisation passive. Les résultats de l’analyse du transfert de chaleur et de masse sont obtenus en résolvant les équations de mouvement et du transfert de chaleur et de masse en adoptant le modèle standard de la turbulence k-epsilon pour un système bidimensionnel et stationnaire. La procédure numérique se base sur un code de la dynamique numérique des fluides validé par des données expérimentales. Une amélioration de l’efficacité de la convection naturelle turbulente, dans le canal vertical compris entre 0 et 8.5% comparativement au cas d’un canal vertical sans protubérances, a été observée. ABSTRACT : In this study, the considered system is a vertical channel in which the fluid and heat flow is generated by turbulent natural convection. On one of the walls of this channel are mounted equidistant protrusions of rectangular sections subjected to a constant density and uniform heat flux. These protuberances consist of a porous material saturated with water or a nonporous material. The work is to characterize natural convection based on the protuberances aspect ratio, heat flux density, material type, protuberances porosity. In addition, the influence analysis of the physical parameters of the channel-protuberances system on the air humidity and temperature flowing in the channel can help to enhance the knowledge, for instance, of the passive cooling. The results, of the heat and mass transfer analysis, are obtained by resolving the fluid and heat flow equations by adopting the standard k-epsilon model of the turbulence for bidimensional and steady system. The numerical procedure bases on a CFD code validated by experimental data. An enhancement of the turbulent natural convection efficiency inside the vertical channel, within the interval 0 up to 8.5% comparatively to the case of a vertical channel without protuberances, is observed. |
| Sommaire : |
Remerciements
Résumé Liste des figures Liste des tableaux Nomenclature INTRODUCTION GENERALE……………………………………………………….……….…...1 Chapitre 1. Recherche bibliographique 1.1. Introduction........................................................................................................................5 1.2. Synthèse bibliographique ...................................................................................................7 1.2.1 Travaux de Mahesh PRAKASH et al. .......................................................................7 1.2.2 Travaux de M.H. Rahimian et A. Pourshaghaghy....................................................9 1.2.3 Travaux de S. Tieszen et al. ....................................................................................10 1.2.4 Travaux de Edimilson J. Braga et al. .....................................................................11 1.2.5 Travaux de Rachid Bessaih et al. ...........................................................................13 1.2.6 Travaux de A. Mahi et al. .......................................................................................15 1.2.7 Travaux de A. Ampofo et al. ...................................................................................16 1.3. Conclusion……………………………………………………………………………….31 Chapitre 2 : Généralités et notions fondamentales sur les transferts de chaleur 2.1 Introduction ...................................................................................................................34 2.2. Méthodes de prédiction.................................................................................................35 2.2.1. Investigation expérimentale...................................................................................35 2.2.2. Calcul théorique ....................................................................................................36 2.2.2.1 Avantages du calcul théorique.........................................................................37 2.2.2.2. Inconvénients du calcul numérique ................................................................38 2.2.3 Choix d’une méthode de prédiction ........................................................................39 2.3. Description mathématique du phénomène physique ....................................................39 2.3.1 Equations différentielles gouvernantes...................................................................40 2.3.1.1 Signification d’une équation différentielle.......................................................40 a) Conservation des espèces chimiques.....................................................................41 b) Equation de l’énergie ............................................................................................42 Sommaire ii 2.3.2 Nature des coordonnées .........................................................................................46 2.3.2.1 Variables indépendantes..................................................................................46 2.3.2.2 Choix propre des coordonnées ........................................................................47 2.3.2.3 Coordonnées unidirectionnelles et bidirectionnelles.......................................49 2.4. Méthodes de discrétisation ...........................................................................................51 2.4.1 Nature des méthodes numériques ...........................................................................51 2.4.2 Méthodes de dérivation des équations de discrétisation ........................................53 2.4.3 Exemple illustratif...................................................................................................57 2.4.4 Règles de base.........................................................................................................61 2.5. Conduction thermique ..................................................................................................64 2.5.1 Conduction monodimensionnelle permanente........................................................65 2.5.1.1 Equations de base ............................................................................................65 2.5.1.2 Espacement de la grille....................................................................................66 2.5.1.3 Conductivité de l’interface...............................................................................67 2.5.1.4 Linéarisation du terme source .........................................................................69 2.5.1.5 Conditions aux limites......................................................................................71 2.5.1.6 Solution des équations algébriques linéaires ..................................................73 2.5.2 Conduction thermique bidimensionnelle et tridimensionnelle ...............................74 2.5.3 Solution des équations algébriques ........................................................................76 2.5.4 Méthodes de sur relaxation et sous relaxation .......................................................81 2.6 Conclusion .....................................................................................................................84 Chapitre 3 : Description et validation du modèle numérique 3-1 Introduction ...................................................................................................................86 3.2. Equations gouvernantes de l’écoulement turbulent des fluides et du transfert de chaleur dans un canal vertical ............................................................................................87 a) Equation de continuité.................................................................................................87 b) Equation de mouvement ..............................................................................................87 c) Equation de l’énergie ..................................................................................................87 d) Equation de l’énergie cinétique turbulente ................................................................88 e) Equation de la dissipation de l’énergie cinétique turbulente......................................88 3.3. Equations gouvernantes la migration de l’humidité ....................................................88 a) Equation de la migration de l’humidité dans le milieu poreux .............................88 b) Equation de la migration de l’humidité dans le milieu fluide ...............................88 3.4 Validation expérimentale du modèle numérique ...........................................................89 3.4.1 Données expérimentales utilisées pour la validation .............................................90 3.4.2 Données expérimentales .........................................................................................95 Sommaire iii 3.4.3 Validation du modèle............................................................................................104 3.5 Conclusion ...................................................................................................................108 Chapitre 4 : Simulation de l’effet géométrique, physique et thermique des protubérances solides sur la convection naturelle en régime turbulent 4.1 Introduction .................................................................................................................110 4.2. Description géométrique du modèle ...........................................................................110 4.3. Modélisation géométrique du canal par le logiciel gambit v2.2 ................................111 4.4. Simulation du modèle par le logiciel fluent v6.3 ........................................................114 4.4.1. Raffinage du maillage..............................................................................................114 a) Raffinage du maillage pour le rapport d’aspect zéro .........................................117 b) Raffinage du maillage pour le rapport d’aspect 0.4 ...........................................119 c) Raffinage du maillage pour le rapport d’aspect 0.8 ...........................................121 d) Raffinage du maillage pour le rapport d’aspect 1.2 ...........................................122 e) Raffinage du maillage pour le rapport d’aspect 1.6 ...........................................124 f) Raffinage du maillage pour le rapport d’aspect 2 ..................................................125 4.4.2 Simulation en fonction des variables (rapport de forme, l’intensité du flux de chaleur, la conductivité thermique des protubérances) ....................................................127 4.4.2.1. Résultats obtenus ..................................................................................................129 1. Protubérances en Acier, rapport d’aspect 0 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100, 500, 1000, 2000, 4000 et 8000 (W/m²) .........................................129 2. Protubérances en Nickel, rapport d’aspect 0 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²)...........................................................................................132 3. Protubérances en Aluminium, rapport d’aspect 0 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²)......................................................................................132 4. Protubérances en Or, rapport d’aspect 0 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²) .................................................................................................133 5. Protubérances en Acier, rapport d’aspect 0,4 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100, 500, 1000, 2000, 4000 et 8000 (W/m²) .........................................133 6. Protubérances en Nickel, rapport d’aspect 0,4 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²)............................................................................................135 7. Protubérances en Aluminium, rapport d’aspect 0,4 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²).........................................................................136 8. Protubérances en Or, rapport d’aspect 0,4 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²) .................................................................................................136 9. Protubérances en Acier, rapport d’aspect 0,8 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100, 500, 1000, 2000, 4000 et 8000 (W/m²) .........................................136 10. Protubérances en Nickel, rapport d’aspect 0,8 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²)............................................................................................139 11. Protubérances en Aluminium, rapport d’aspect 0,8 et l’intensité du flux de Sommaire iv chaleur sur les parois de 100 (W/m²).........................................................................139 12. Protubérances en Or, rapport d’aspect 0,8 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²) .................................................................................................140 13. Protubérances en Acier, rapport d’aspect 1,2 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100, 500, 1000, 2000, 4000 et 8000 (W/m²) .........................................140 14. Protubérances en Nickel, rapport d’aspect 1,2 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²)............................................................................................142 15. Protubérances en Aluminium, rapport d’aspect 1,2 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²).........................................................................143 16. Protubérances en Or, rapport d’aspect 1,2 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²) .................................................................................................143 17. Protubérances en Acier, rapport d’aspect 1,6 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100, 500, 1000, 2000, 4000 et 8000 (W/m²) .........................................144 18. Protubérances en Nickel, rapport d’aspect 1,6 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²)............................................................................................146 19. Protubérances en Aluminium, rapport d’aspect 1,6 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²).........................................................................146 20. Protubérances en Or, rapport d’aspect 1,6 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²) .................................................................................................147 21. Protubérances en Acier, rapport d’aspect 2 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100, 500, 1000, 2000, 4000 et 8000 (W/m²) .........................................147 22. Protubérances en Nickel, rapport d’aspect 2 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²)............................................................................................149 23. Protubérances en Aluminium, rapport d’aspect 2 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²)......................................................................................150 24. Protubérances en Or, rapport d’aspect 2 et l’intensité du flux de chaleur sur les parois de 100 (W/m²) .................................................................................................150 4.4.2.2. Discussion des résultats de l’étude paramétrique .................................................150 a) Ecarts des températures moyennes d’air du canal vertical par rapport au cas de référence ....................................................................................................................151 d) Ecarts des nombres de Rayleigh dans le canal vertical par rapport au cas de référence ....................................................................................................................152 4.5 Conclusion ...................................................................................................................154 Chapitre 5 : Simulation de l’effet géométrique, physique et thermique des protubérances poreuses sur la convection naturelle en régime turbulent 5.1. Introduction ................................................................................................................157 5.2. Description géométrique du modèle ...........................................................................157 5.3. Résultats obtenus ........................................................................................................162 5.3.1 Rapport d’aspect 0.4 et porosité 95% ..................................................................162 5.3.2 Rapport d’aspect 0.4 et porosité 90% ..................................................................164 Sommaire v 5.3.3 Rapport d’aspect 0.4 et porosité 80% ..................................................................166 5.3.4 Rapport d’aspect 0.4 et porosité 70% ..................................................................168 5.3.5 Rapport d’aspect 0.4 et porosité 60% ..................................................................170 5.3.6 Rapport d’aspect 0.4 et porosité 50% ..................................................................172 5.3.7 Rapport d’aspect 0.8 et porosité 95% ..................................................................174 5.3.8 Rapport d’aspect 0.8 et porosité 90% ..................................................................176 5.3.9 Rapport d’aspect 0.8 et porosité 80% ..................................................................178 5.3.10 Rapport d’aspect 0.8 et porosité 70% ................................................................180 5.3.11 Rapport d’aspect 0.8 et porosité 60% ................................................................182 5.3.12 Rapport d’aspect 0.8 et porosité 50% ................................................................184 5.3.13 Rapport d’aspect 1.2 et porosité 95% ................................................................186 5.3.14 Rapport d’aspect 1.2 et porosité 90% ................................................................188 5.3.15 Rapport d’aspect 1.2 et porosité 80% ................................................................190 5.3.15 Rapport d’aspect 1.2 et porosité 70% ................................................................192 5.3.16 Rapport d’aspect 1.2 et porosité 60% ................................................................194 5.3.17 Rapport d’aspect 1.2 et porosité 50% ................................................................196 5.3.18 Rapport d’aspect 1.6 et porosité 95% ................................................................198 5.3.19 Rapport d’aspect 1.6 et porosité 90% ................................................................200 5.3.20 Rapport d’aspect 1.6 et porosité 80% ................................................................202 5.3.21 Rapport d’aspect 1.6 et porosité 70% ................................................................204 5.3.22 Rapport d’aspect 1.6 et porosité 60% ................................................................206 5.3.23 Rapport d’aspect 1.6 et porosité 50% ................................................................208 5.3.24 Rapport d’aspect 2 et porosité 95% ...................................................................210 5.3.25 Rapport d’aspect 2 et porosité 90% ...................................................................212 5.3.26 Rapport d’aspect 2 et porosité 80% ...................................................................214 5.3.27 Rapport d’aspect 2 et porosité 70% ...................................................................216 5.3.28 Rapport d’aspect 2 et porosité 60% ...................................................................218 5.3.29 Rapport d’aspect 2 et porosité 50% ...................................................................220 5.3.30 Discussion des résultats de l’étude paramétrique ..............................................222 a) Ecarts de la température moyenne dans le canal par rapport au cas du canal sans protubérances ............................................................................................................222 b) Ecarts de la vitesse d’air moyenne dans le canal par rapport au cas d’un canal sans protubérances ....................................................................................................222 c) Ecarts de l’intensité moyenne de la turbulence dans le canal par rapport au cas d’un canal sans protubérances ..................................................................................223 d) Ecarts de l’humidité relative moyenne dans le canal par rapport au cas d’un canal sans protubérances : ........................................................................................223 e) Ecarts de la quantité massique moyenne transférée dans le canal par rapport au Sommaire vi cas d’un canal sans protubérances............................................................................223 f) Ecarts du nombre de Rayleigh moyen dans le canal par rapport au cas d’un canal sans protubérances ....................................................................................................224 5.4 Conclusion…………………………………………………………………………………….….226 CONCLUSION GENERALE………………………………………………………………..........227 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES………………………………..…………………..….232 |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut | Emplacement | |
|---|---|---|---|---|---|
| TH/0741 | Thèse de doctorat | BIB.FAC.ST. | Empruntable | Salle de mémoires et de théses |
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