Étude expérimentale et numérique des phénomènes de mélange turbulent et de transfert thermique en présence de vorticité

Experimental and numerical study of turbulent mixing and heat transfer phenomena in presence of vorticity

• Auteur / Autrice : Charbel Habchi
• Direction : Hassan Peerhossaini, Dominique Della Valle, Thierry Lemenand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur, thermique énergétique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermocinétique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques - École polytechnique universitaire de Nantes Université

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Interaction fluide-structure

Tourbillons (mécanique des fluides)

Échangeurs de chaleur

Résumé

Cette étude porte sur les phénomènes de mélange turbulent et de transfert thermique dans des échangeurs/réacteurs multifonctionnels (ERM) à générateurs de vorticité. La géométrie des ERM conditionne leur efficacité énergétique en déterminant la structure de l’écoulement. Ainsi, la compréhension fine des mécanismes du mélange turbulent et des transferts convectifs constitue un enjeu fondamental pour l’amélioration de l’efficacité énergétique des ERM. La démarche scientifique est décomposée en deux parties : Tout d’abord, nous étudions l’utilisation de la sonde chimique dans le but de caractériser le micromélange dans des écoulements turbulents continus homogènes. Nous proposons une procédure expérimentale adaptative permettant d’adapter les cinétiques chimiques aux conditions locales de turbulence. De plus, nous définissons un domaine de validité, dépendant des conditions hydrodynamiques au point de mesure, en s’appuyant sur la modélisation physique de l’interaction entre les différentes échelles du mélange. Ensuite, nous étudions le mélange et les transferts thermiques dans trois géométries d’écoulements turbulents en présence de vorticité générée par des perturbateurs insérés dans un tube droit circulaire. Cette étude repose sur des mesures par LDA (laser Doppler anemometry) et de la simulation numérique CFD. Différentes approches physiques sont utilisées : statistique de turbulence, intensité de la vorticité, production d’entropie et synergie des champs. La complémentarité de ces approches permet de proposer une méthodologie afin d’évaluer les performances d’un ERM en régime turbulent

The aim of the present doctoral thesis is the study of turbulent mixing and heat transfer in multifunctional heat exchangers/reactors (MHER) of vortex generator type. The geometry of the MHER strongly influences its energeticefficiency by controlling the flow structure. Thus, understanding of the mechanisms of turbulent mixing and convective heat transfer is a key issue for improving the energetic efficiency of these devices. This work is composed of two main parts: First, we investigate the chemical probe methods, based on a system of parallel-competitive chemical reactions, which are then used to characterize the micromixing in continuous flows. Here, we propose an adaptive experimental procedure to adapt the kinetics of the chemical reactions to the local turbulence. In addition, based on physical modeling of the interaction between the different turbulent mixing scales, we define a domain of validity for this method depending on the hydrodynamic conditions at the probe measurement point. The second part is devoted to the study of the turbulent mixing and heat transfer phenomena in three different turbulent flows in the presence of artificially generated vorticity in a straight circular tube. The tools used in this investigation are the laser Doppler anemometry (LDA) and CFD simulation. Several physical approaches are used to characterize the different mechanisms of turbulent mixing and heat transfer aimed at determining the best configuration of vorticity generation