Modeling of fluid flows and heat transfer with interface effects, from molecular interaction to porous media

par Meng Liao

Thèse de doctorat en Structures et Matériaux

Sous la direction de Quy Dong To, Céline Leonard et de Vincent Monchiet.

Soutenue le 28-09-2018

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée) (laboratoire) et de Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle / MSME (laboratoire) .

Le président du jury était Annie Lemarchand.

Le jury était composé de Quy Dong To, Céline Leonard, Vincent Monchiet, Benjamin Rotenberg.

Les rapporteurs étaient Irina Graour.

  • Titre traduit

    Modélisation des écoulements de fluides et du transfert de chaleur avec effets d'interface, de l'interaction moléculaire aux milieux poreux


  • Résumé

    Les objectifs de la thèse sont d'étudier le transport de fluide et le transfert de chaleur dans les pores micro et nanométriques. Les expériences et les simulations ont révélé des preuves de l'augmentation du flux provoquée par la vitesse de glissement à la paroi solide. D'autre part, la résistance thermique finie à l'interface fluide-solide est responsable de la différence de température des deux phases. Ces deux phénomènes d'interface peuvent avoir un impact considérable sur la perméabilité et la diffusivité thermique des milieux poreux constitués de micro et nanopores. La contribution se concentre sur l'étude des trois problèmes suivants. Premièrement, nous examinons les effets de glissement des liquides confinés dans un canal de graphème en utilisant le formalisme de Green Kubo et la méthode de la dynamique moléculaire. On montre que lorsque la surface solide est soumise à une contrainte mécanique uniaxiale, la friction présente une anisotropie due à la modification de l'énergie potentielle et de la dynamique des molécules composant le fluide. Les formes moléculaires jouent également un rôle important sur les écarts de frottement entre les deux directions principales. Deuxièmement, nous étudions le régime des gaz raréfiés. Dans ce cas, la vitesse de glissement et le saut de température sont régis par les collisions entre les atomes de gaz et la paroi solide. Ces effets peuvent être déterminés à l’aide d’un modèle statistique qui peut être construit à partir des vitesses incidente et réfléchie des molécules de gaz. A cette fin, différentes méthodes basées sur des techniques d'apprentissage statistique ont été proposées. Enfin, la méthode des éléments finis est utilisée pour calculer la perméabilité et la diffusivité thermique des milieux poreux sous l'influence des effets d'interface


  • Résumé

    The objectives of the thesis are to study the fluid transport and heat transfer in micro and nano-scale pores. Both experiments and simulations revealed evidence of an enhancement of flow-rate, originated from slip velocity at the solid boundary. On the other hand, the finite thermal resistance at the fluid-solid interface is responsible for the temperature difference between the two phases. These two interface phenomena can have a considerable impact on the permeability and thermal diffusivity of porous media constituted of micro and nano-pores. This contribution focuses on studying the following three issues. First, we examine the slip effects of liquids confined in graphene channel using Green Kubo formalism and Molecular Dynamics method. It is shown that when the solid surface is subject to mechanical uniaxial strain, the friction exhibits anisotropy due to the modification of the potential energy and the dynamics of the fluid molecules. The molecular shapes also play an important factor on the friction discrepancies between two principal directions. The quantification of both effects is addressed. Second, we investigate the rarefied gas regime. In this case, the velocity slip and temperature jump are governed by the collisions between the gas and the solid boundary. Those effects can be determined via the study of scattering kernel and its construction from MD simulation data. To this end, different methods based on statistical learning techniques have been proposed including the nonparametric (NP) kernel and Gaussian mixture (GM) kernel. Finally, the finite element method is used to compute the permeability and the thermal diffusivity of porous media under the influence of the interface effects


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