Écoulement et transfert de chaleur turbulents sur parois rugueuses : application aux chambres de refroidissement des moteurs thermiques

Turbulent flow and heat transfer over rough wall : application to automotive engine cooling

• Auteur / Autrice : Benjamin Hérout
• Direction : Jean Boisson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Moteurs thermiques

Mots clés libres

Transfert thermique turbulent

Convection forcée

Parois rugueuse

Loi de parois

Moteurs

Résumé

Ce travail se place dans le cadre général de la modélisation du refroidissement des moteurs thermiques à combustion interne. L'étude présentée, à caractère expérimental et numérique, porte sur l'écoulement en conduite rugueuse avec transfert thermique. Cette étude est motivée par le besoin industriel d'améliorer la prédictivité des codes de calculs utilisés lors des phases de conception, avant la réalisation de prototypes mécaniques. La simulation de l'échange thermique dans les chambres de refroidissement est basée sur la modélisation de la turbulence. Des écarts sensibles ont été détectés lors du changement de version du code utilisé, ce qui a mis en évidence la sensibilité des lois de parois implémentées dans les codes commerciaux. Le choix de la géométrie cylindrique de l'écoulement est dicté par la volonté d'étudier l'écoulement et le transfert de chaleur sur paroi rugueuse par une approche expérimentale la plus simple possible, tout en conservant les caractéristiques de l'écoulement existant dans les chambres de refroidissement des moteurs thermiques (vitesse, température et état de surface). Les limites expérimentales constatées justifient l'approche par simulation numérique des grandes échelles, résolues jusqu'à la paroi. Les résultats expérimentaux obtenus montrent l'impact important de la rugosité sur la distribution de vitesse, et particulièrement dans la couche limite. L'échange thermique s'en trouve fortement modifié. Les résultats issus de la simulation des grandes échelles donnent accès aux valeurs physiques, dans la sous-couche visqueuse, inaccessible expérimentalement. L'ensemble des résultats apportés par l'étude expérimentale et numérique constitue une base de données pour l'optimisation des résultats fournis par des codes industriels. Ces résultats obtenus sur une géométrie simplifiée valident les méthodes et les techniques employées, qui pourront être appliquées ultérieurement à d'autres géométries.

This research work takes place in the general context of the modeling of automotive engine cooling. The presented study synthetize experimental and numeric results obtained on a turbulent pipe flow, with heat transfer over rough wall. The motivation of this work is expressed by the industrial need to enhance the precision of CFD tools used during first conception phases, before to develop mechanical prototypes. The simulation of heat exchange in water jacket is based on turbulence modeling. Some dispersion has been observed between results obtained from a new version of the commercial CFD code. Theses variations clearly show the strong sensitivity of the wall-function depending on mathematical assumption or physical parameters. Near-wall measurements of flow and heat transfer over rough wall lead us to study a turbulent pipe flow. This classical geometry allow us to perform measurement closest to the wall, with flow characteristic similar to those encountered in water jacket (velocity, temperature and roughness). The experimental results are essential to determine the roughness effect on velocity distribution, particularly in for adapting logartmic law depending on roughness dimension. Heat transfer in also strongly increased due to the presence of small perturbations. The use of Large Eddy Simulation allows obtaining numerically the roughness effect in the viscous layer. This effect was not observed during the experiments due to optical limitations. All these results are used to establish a data-base to optimize the computation done with commercial CFD codes. These results obtained on a simplified geometry valid the methods and techniques used in this work. These ones could be developed to other flow geometry.