Écoulements confinés et transferts thermiques en présence de générateurs de tourbillons : application aux échangeurs de chaleur compacts

• Auteur / Autrice : Frédéric Dupont
• Direction : Jean-Yves Billard, Patrick Bot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides et des transferts
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Centrale Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Échangeurs de chaleur

Résumé

Pour améliorer les performances des échangeurs de chaleur compacts, une méthode innovante consiste à placer des obstacles générateurs de tourbillon dans l'écoulement, afin d'augmenter les transferts avec la paroi. Dans le cas des échangeurs tubes / plaques - transfert gaz/liquide - les obstacles sont des ailettes triangulaires en incidence, obtenues par poinçonnage des plaques. Pour les échangeurs à plaques - transfert gaz/gaz - les obstacles sont des bosses parallélépipédiques, obtenues par emboutissage des tôles. Nous avons mené une étude expérimentale du champ de vitesse derrière les deux types d'obstacle, sur des modèles à grande échelle de canaux d'échangeurs en écoulement isotherme, pour des obstacles isolés à grand nombre de Reynolds (105), ainsi que sur un réseau d'obstacles à des nombres de Reynolds entre 103 et 5. 103 (Re basé sur la vitesse débitante et l'épaisseur du canal). On observe d'intenses tourbillons longitudinaux déformés en ellipse à cause du fort confinement. Leur intensité, du même ordre pour les deux types d'obstacle, croît avec le nombre de Reynolds et l'incidence, ainsi que d'un obstacle au suivant. De plus, la transition de l'écoulement vers la turbulence est nettement avancée. D'autre part, dans une soufflerie équipée de parois chauffées à flux constant, nous avons mesuré le coefficient de transfert global dans un modèle de canal d'échangeur. On observe une nette augmentation des transferts lors de la mise en place des obstacles - jusqu'à un doublement du nombre de Nusselt moyen. On obtient des échanges caractéristiques d'un écoulement turbulent établi, alors que l'écoulement en canal lisse se comporte comme un écoulement laminaire en cours d'établissement. Cette étude montre l'aspect prometteur des générateurs de tourbillons pour l'amélioration des échangeurs compacts. Si ce résultat était déjà pressenti pour les ailettes triangulaires, il restait à démontrer pour les obstacles moins élevés de type embouti qui ne présentent pas d'arrêtes vives.