Influence des déformations successives alternées de la paroi sur l'accroissement des performances d'échange d'un tube : application aux échangeurs multifonctionnels

Successive alternate wall deformations effect on the transfer performances of a tube : application to multifunctional heat exchangers

• Auteur / Autrice : Julie-Anne Zambaux
• Direction : Jean-Luc Harion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Énergétique, matériaux.
• Date : Soutenance le 28/11/2014
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord). Département Energétique Industrielle - IMT - Institut Mines Télécom / Télécom Lille
• Partenaire(s) de recherche : Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Grande école : École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord ; 1878-2016)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Gourdon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Harion, Yves Le Guer, Estéban Saatdjian, Pascale Bouvier, Hassan Peerhossaini, Serge Russeil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Le Guer, Estéban Saatdjian

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Transfert de chaleur

Déformations (mécanique)

Mots clés libres

Déformations pariétales

Écoulements laminaires

Intensification du transfert thermique et du mélange

Advection chaotique

Simulations numériques

Wall deformations

Laminar flows

Heat transfer and mixing enhancement

Chaotic advection

Numerical simulations

Résumé

Les travaux de thèse sont consacrés à l’étude numérique de l’application de macro-déformations successives alternées a la paroi d’un tube. La modification de l’écoulement du fait des déformations permet de modifier ses propriétés en termes de transfert thermique et de mélange. L’objectif de l’étude d’un tel dispositif est entre autre de l’appliquer pour des configurations d’échangeurs multifonctionnels, qui sont à la fois échangeurs de chaleur et réacteurs chimiques. L’étude s’intéresse principalement aux écoulements laminaires. Les calculs sont réalisés avec le code ANSYS Fluent. L’étude est tout d’abord consacrée à la caractérisation de l’écoulement secondaire créé par les déformations ainsi qu’à l’influence des différents paramètres de déformation. Afin d’améliorer le mélange dans l’écoulement, l’étude d’une configuration coaxiale déformée a été envisagée (cette géométrie correspond de plus à une configuration d’écoulement utilisée dans l’industrie). Deux configurations annulaires ont été considérées. Dans un premier temps, les déformations pariétales ont été appliquées aux tubes interne et externe : différents déphasages longitudinaux et angulaires entre ces deux déformations ont été étudiés pour optimiser les performances thermo-hydrauliques. La seconde configuration combine des déformations sur la paroi externe et un swirl sur la paroi interne de la géométrie. Cette configuration particulière permet en régime laminaire d’augmenter significativement le mélange du fait de l’apparition d’advection chaotique dans l’écoulement. Cette dernière géométrie est appliquée dans le cas d’un échangeur solaire à concentration et permet d’améliorer les performances par rapport à un tube lisse dans des conditions similaires. La dernière partie de l’étude est consacrée à une validation expérimentale des résultats numériques lorsque les déformations sont appliquées à une plaque. Des mesures par PIV et LDA ont été réalisées pour mesurer la vitesse locale de l’écoulement.

The work presented here is focused on the numerical study of specific successive wall deformations in alternate directions, applied to a tubular geometry. Those deformations help modifying the flow structure and thus its heat transfer and mixing properties. One of the main aims of the study is to apply those deformations to multifunctional exchangers which are heat exchangers and chemical reactors at the same time. The study is mainly focused on laminar flows and all the numerical calculations were performed using the CFD code ANSYS Fluent. The first step of the study is to assess the secondary flow created by the wall deformations. The influence of several deformation geometrical parameters has also been studied. In order to enhance the mixing in the deformed tube, the wall deformations have been applied to coaxial configurations (often used in the industry). Two kinds of annular configurations have been evaluated. At first, the wall deformations are applied to the external and internal walls of the coaxial tube. The effect on the heat transfer enhancement of the longitudinal and angular phase-shifting between the two deformations has been specifically assessed. The second configuration considered combines the alternate deformations on its external walls and a swirled internal wall. This particular annular configuration creates chaotic advection in laminar flows, therefore helping increasing the mixing. This geometry is used as a solar captor and helps increasing the global performances when compared with a smooth tube usually used. The last part of the presented work is focused on the experimental validation of the numerical results. Techniques such as PIV and LDA are used to measure local velocity fields in a plane duct with alternate deformations applied to its lower wall.