| Titre : | Étude de l’effet des rugosités artificielles sur l’optimisation des performances et des échanges thermiques par convection dans les capteurs solaires à air |
| Auteurs : | Fouad MENASRIA, Auteur ; Abdelhafid Moummi, Directeur de thèse |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | Biskra [Algerie] : Université Mohamed Kheider, 2019 |
| Langues: | Français |
| Mots-clés: | conduit rectangulaire,chicanes,nervures,performance thermohydraulique,écoulement turbulent,simulation numérique. |
| Résumé : |
La dégradation de l'environnement associée à l'utilisation des carburants d’origine
fossile, de plus, l’augmentation des prix de ces derniers associée à l'augmentation de la demande d'énergie, sont tous des défis et des préoccupations qui ont obligé la communauté scientifique à développer des techniques efficaces d'extraction et d'utilisation des sources d'énergies renouvelables similaires à l'énergie du rayonnement solaire considérée comme une source d'énergie permanente, disponible en abondance et produisant de l'énergie propre. La conversion thermique de cette énergie par collecteur solaire thermique est la conversion la plus simple et la plus efficace, qui nous a conduit à étudier le problème d'amélioration de l'efficacité de ces collecteurs les plus simples, à savoir le capteur solaire à air, en prévoyant le canal actif dans ce dispositif avec différents obstacles pour augmenter l'échange de chaleur entre la plaque absorbante et l'air utile pendant un certain processus d'échange thermique ; ainsi, le but de cette thèse est d'améliorer le transfert de chaleur d’un capteur solaire thermique à air en insérant des obstacles (Nervures ou Chicanes) au niveau du conduit de l’air circulant. Une étude bibliographique extensive a été réalisée pour connaître les différentes techniques adoptées dans les recherches précédentes. Certains paramètres de conception ont été déterminés et un capteur solaire thermique à air a été construit au niveau de la plateforme de l’Unité de Recherche en Energie Renouvelables en Milieu Saharien et selon ces paramètres et les mesures qui ont été collectés au moyen d'équipements disponibles, des résultats numériques prédits ont été validés. Enfin, plusieurs études numériques ont été menées sur des conduits rectangulaires équipés de chicanes dans des conditions aux limites d’un capteur solaire thermique à air et l'influence de la géométrie de rugosité et des paramètres de fonctionnement sur les performances thermo hydrauliques ont été étudiées et comparées pour identifier les meilleures configurations bidimensionnelles de la rugosité. |
| Sommaire : |
TABLE DES MATIERES
RESUME ................................................................................................................................................................. i $ "? .................................................................................................................................................................. ii ABSTRACT ........................................................................................................................................................... iii Table des matières.................................................................................................................................................. iv Nomenclature ........................................................................................................................................................ vii Liste des figures .......................................................................................................................................................x Liste des tableaux ................................................................................................................................................. xvi Introduction générale ...............................................................................................................................................1 Chapitre I : Généralités et Revue Bibliographique ..................................................................................................4 I.1. INTRODUCTION .............................................................................................................................................4 II. 1.1. Les techniques passives ............................................................................................................................4 II. 1.2. Les techniques actives ..............................................................................................................................5 I.2. Les rugosités artificielles dans les conduits rectangulaires des capteurs solaire à air : les NERVURES ..........8 I.2.1. Les Nervures ...............................................................................................................................................9 I.2.1.1. Effet de différents paramètres (géométriques adimensionnels) de rugosité sur le coefficient de transfert de chaleur et le coefficient de frottement .............................................. 11 I.2.1.2. Différentes géométries de rugosités utilisées dans les conduits des capteurs solaires à air ................................................................................................................................................... 15 I.2.1.3. Nervures discontinues ....................................................................................................... 15 I.2.1.4. Nervures continues ........................................................................................................... 31 I.2.1.5. Combinaison entre deux types de nervures Continues-Discontinues .............................. 46 I.3. Les rugosités artificielles dans les conduits rectangulaires des capteurs solaires à air : les chicanes .............. 48 I.3.1. Les Chicanes ............................................................................................................................................. 49 I.3.1.1. Les attribues communs des chicanes ................................................................................ 52 I.3.1.2. Principaux paramètres géométriques adimensionnels de caractérisation ....................... 52 I.3.2. Les chicanes discontinues ......................................................................................................................... 54 I.3.3. Les chicanes continues ............................................................................................................................. 63 I.4. Les rugosités artificielles dans les conduits rectangulaires des capteurs solaires à air : La combinaison entre les nervures et les chicanes .................................................................................................................................... 81 I.5. Conclusion ....................................................................................................................................................... 83 Chapitre II : Méthode Théorique Simplifiée ......................................................................................................... 85 II.1. Introduction .................................................................................................................................................... 85 II-2. Méthode de prévision du facteur de frottement.............................................................................................. 90 II-3. Méthode de prévision pour le transfert de chaleur ..................................................................................... 93 II-4. L’analyse thermohydraulique......................................................................................................................... 96 II-5. Résultats et discussion ................................................................................................................................... 97 II-5-1. Effet du nombre de Reynolds ................................................................................................................. 98 Table des matières v II-5-2. Effet de l’angle d’attaque ...................................................................................................................... 101 II-5-3. Effet du pas relatif ................................................................................................................................ 108 II-5.4. Effet de la hauteur relative .................................................................................................................... 111 II-5.5. Facteur de performance Thermohydraulique ........................................................................................ 113 II-6.Conclusion ................................................................................................................................................ 120 Chapitre III : Réalisation Expérimentale d’un Capteur Solaire Plan à Air .......................................................... 121 III.1. Préface ........................................................................................................................................................ 121 III.2. Introduction ................................................................................................................................................. 122 III.3. Conception et réalisation du capteur plan à air ........................................................................................... 123 III.3.1 Nombre de couvertures en verre .......................................................................................................... 127 III.3.1 Instrumentation ..................................................................................................................................... 127 III.3.1.1 Mesure de température ................................................................................................. 127 III.3.1.2 Mesure du Rayonnement solaire ................................................................................... 130 III.3.1.2 Mesure de débit d’air (Vitesse et Débit) ....................................................................... 131 III.3.1.3 Mesure de pression (Perte de charge) ........................................................................... 131 III.3.1.4 Acquisition des données (L’enregistreur de données) ................................................... 132 III.3.1.5 Procédure expérimentale et calcul de transfert de chaleur ......................................... 132 III.4. Résultat et discussion .................................................................................................................................. 136 III.5 Conclusion ................................................................................................................................................... 144 Chapitre IV : Formulation Mathématique et Modélisation Numérique ............................................................... 146 IV.1. Formulation Mathématique :....................................................................................................................... 146 IV.1.1. Introduction .......................................................................................................................................... 147 IV.1.2. Géométrie et modèle physique ............................................................................................................. 147 IV.1.3. Modèle mathématique .......................................................................................................................... 149 IV.1.3.1. Formulation en moyenne volumique ............................................................................ 149 IV.1.4. Hypothèses simplificatrices ................................................................................................................. 149 IV.1.5. Conditions aux limites ......................................................................................................................... 150 IV.1.6. Propriétés thermophysiques ................................................................................................................. 152 IV.1.6. Conclusion ........................................................................................................................................... 153 IV.2. Modélisation Numérique : .......................................................................................................................... 154 IV.2.1. Introduction .......................................................................................................................................... 155 IV.2.2. Principe de la méthode des volumes finis ............................................................................................ 155 IV.2.3. Equation différentielle gouvernante ..................................................................................................... 156 IV.2.4. Maillage et volume de contrôle ............................................................................................................ 157 IV.2.5. Techniques de résolution en CFD ........................................................................................................ 157 IV.2.6. Maillage à l’aide de GAMBIT ............................................................................................................. 157 IV.2.7. Définition des frontières sous GAMBIT .............................................................................................. 163 IV.2.8. Invocation du solveur ANSYS® FLUENT® ........................................................................................ 164 IV.2.9. Schémas numériques de discrétisation ................................................................................................. 164 IV.2.10. Algorithme SIMPLE pour le découplage vitesse-pression ................................................................ 165 IV.2.11. Facteurs de sous-relaxation ................................................................................................................ 165 Table des matières vi IV.2.12. Critères de convergence, temps de calculs et optimisations .............................................................. 166 IV.2.13. Sensibilité de la solution au maillage ................................................................................................ 167 IV.2.14. Validation des résultats numériques .................................................................................................. 169 IV.2.15. Modèle choisi ..................................................................................................................................... 173 IV.2.16. Conclusion ......................................................................................................................................... 176 Chapitre V : Résultats et Discussions .................................................................................................................. 177 V.1 Introduction ................................................................................................................................................... 177 V.2 Le transfert de chaleur .................................................................................................................................. 182 V.2.1.Nombre Moyen de Nusselt ..................................................................................................................... 182 Effet du nombre de Reynolds (Re) ............................................................................................... 182 Effet du taux de blocage (BR) ...................................................................................................... 185 Effet du pas relatif (PR) ................................................................................................................ 189 V.3. Caractéristique de l’écoulement de fluide (Caractéristiques de frottement)................................................. 194 V.3.1. Facteur de friction moyen ..................................................................................................................... 194 Effet du nombre de Reynolds (Re) ............................................................................................... 194 Effet du taux de blocage (BR) ....................................................................................................... 197 Effet du pas relatif (PR) ................................................................................................................ 201 V.3.2. Performance thermohydraulique ........................................................................................................... 205 V.3.3. Résultats hydrodynamiques................................................................................................................... 207 V.3.3.1. Zones de distribution et de recirculation de la vitesse axiale ....................................... 207 V.4. Conclusion ................................................................................................................................................... 214 Conclusion générale ............................................................................................................................................. 215 Références bibliographiques ................................................................................................................................ 217 Annexe ................................................................................................................................................................. 232 Publication internationale .................................................................................................................................... 232 |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut | Emplacement | |
|---|---|---|---|---|---|
| TH/0977 | Thèse de doctorat | BIB.FAC.ST. | Empruntable |
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