Influence de la micromorphologie de surface dans les échanges thermiques convectifs

Influence of the surface micromorphology on convective heat transfer

• Auteur / Autrice : Elena Sanz Garcia
• Direction : Jean-Noël Gence
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rugosité

Couche limite turbulente

Turbulence

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Capteur de flux thermique

Sous couche visqueuse

Dynamique du flux thermique

Riblets

Résumé

Cette thèse, de nature expérimentale, est centrée sur la compréhension des échanges thermiques dans une couche limite turbulente, en particulier sur l’action d’une rugosité ordonnée, tridimensionnelle et anisotrope, c’est à dire, une micromorphologie de surface, complètement immergée dans la sous-couche visqueuse. Une technique de mesure adaptée à cette étude, basée sur la technologie des couches minces, a été développée, testée et validée. Les résultats montrent un effet mesurable dans les échanges thermiques ainsi qu’une modification des profils de vitesse moyenne et d’intensité de turbulence. Cet effet est cependant inexistant dans une couche limite laminaire, et se trouve effacé par la présence d’une turbulence externe incidente. Ce résultat est donc attribuable aux interactions entre les éléments rugueux et les structures turbulentes générées à la paroi. On constate aussi une influence de cette rugosité dans la transition à la turbulence d’une couche limite laminaire. On réalise ensuite l’étude statistique du processus de transfert thermique dans une couche limite turbulente, soumise à une turbulence extérieure. On met en évidence une loi d’échelle temporelle avec un exposant caractéristique de −7/3 pour la température dans le sillage immédiat de la surface chauffée, ainsi qu’une dépendance de la pente du spectre de flux thermique en fonction du nombre de Reynolds, variant entre −5/3 et −7/3, comme observé dans le cas d’une turbulence homogène et isotrope avec injection de scalaire par un gradient moyen.

This experimental thesis focuses on the understanding of heat transfer in a turbulent boundary layer. In particular we investigated the action of an ordered, three-dimensional and anisotropic roughness, which is completely immersed in the viscous sublayer of the turbulent boundary layer. A measurement technique has been developed in order to realize this study. This technique, based on thin film technology, has been tested and validated. Results show a measurable effect on the heat transfer coefficient, as well as on the mean velocity profiles. This effect is however not observed in a laminar boundary layer and it is quenched by an external freestream turbulence. Hence one can conclude that the observed effect is due to the interaction between the rough elements and the turbulent structures generated at the wall. An influence of this micro-roughness is also observed in the transition to turbulence of a laminar boundary layer. We also perform a statistical study of the heat transfer process in a turbulent boundary layer when subjected to freestream turbulence. The frequency spectra show a scaling law with a -7/3 exponent for the temperature in the immediate wake of the heated surface. The inertial range of the heat flux spectrum shows a dependence on the Reynolds number, with an exponent ranging from -5/3 to -7/3, as observed in the case of a homogeneous and isotropic turbulence in the presence of a mean temperature gradient.