Transferts dans les milieux cellulaires à forte porosité : applications à l'optimisation structurale des échangeurs à ailettes

• Auteur / Autrice : Jean-michel Hugo
• Direction : Frédéric Topin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 02/04/2012
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Lounès Tadrist
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Topin, Lounès Tadrist, Christophe Marvillet, Gérard Louis Vignoles, Marc Miscevic, Eusebio Solorzano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Marvillet, Gérard Louis Vignoles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Transfert de chaleur

Mousses métalliques

Échangeurs de chaleur

Mots clés libres

Echangeur de chaleur

Mousse métallique

Dimensionnement

Changement d'échelle

Propriétés thermophysiques

Conductivité effective

Perméabilité

Transfert de chaleur conjugué

Morphologie

Heat exchanger

Metal foam

Design

Up-scaling tecnhnique

Thermophysical properties

Effective conductivity

Permeability

Conjugate heat transfe

Morphology

Résumé

Cette de thèse comporte deux volets : Le premier, plutôt applicatif, concerne le design d'échangeurs à ailettes et à mousses ; le second, plus académique, traite des relations entre la texture des mousses métalliques et leurs propriétés thermophysiques effectives. Sur la première partie consacrée à l'amélioration des performances des échangeurs de chaleur Mota. Nous avons mis en place une méthode de dimensionnement multi-échelle adaptés aux batteries tubes-ailettes et aux échangeurs à mousse ; Nous avons développé et caractériser une architecture optimisée d'échangeur à mousse et à ailettes. Des gains de 50% ont été obtenus en termes d'efficacité énergétique et les solutions proposées sont actuellement en production.La deuxième partie concerne l'analyse des mécanismes de transferts dans les mousses et de la détermination de leurs propriétés effectives. Nous avons développé une approche basée sur la modélisation des transferts et écoulements à l'échelle du pore -confortée par le développement de bancs expérimentaux- pour déterminer ces propriétés. Nous avons réalisé une base de données de 900 mousses obtenues par élongation et cisaillement d'une cellule périodique de référence. Les propriétés effectives –tensorielles- de ces mousses ont été mesurées et leur dépendance à la morphologie et aux propriétés thermophysiques des phases a été étudiée.En conclusion, le dernier chapitre illustre la démarche naturelle de poursuite des travaux : Optimisation des géométries des échangeurs et des mousses selon les conditions applicatives.

This work is composed of two parts: the first one deals with the design of fins-and-tubes and metal foam heat exchangers; the second one deals with the relationship between foams morphology and their effective thermophysical properties. The first part is dedicated to Mota heat exchanger performance enhancement. We develop a multi-scale method to optimize both local heat transfer surfaces and global architecture of classical and foam units. We develop, using this method, new heat exchanger and we characterize it numerically and experimentally. An increase of 50% of energetic efficiency is obtained and new geometries are nowadays produced and commercialized. The second part deals with the analysis of transport phenomena in metal foams and the determination of their effectives properties. We develop an approach based on pore scale numerical simulation of conjugate heat transfer – validated by experimental results obtained on set-up developed for this study. We have generated 900 virtual samples obtained by deformation a periodic unit cell (Kelvin cell). Full effective properties tensors are determined. The influence of cell shape and classical geometrical parameters on physical properties is then studied. To conclude, in the last chapter, we present natural perspectives involved by this work: Geometrical optimization of heat exchanger architecture and foams morphology depending on the application; The use of a multi-scale approach to design modern –foam- heat exchangers.