Contribution à l'étude des échanges convectifs à l'interface fluide paroi en présence de matériaux à changement de phase : Application au bâtiment

Contribution to the study of convective heat transfer at the wall-fluid interface in the presence of phase change materials : Application at the building scale

• Auteur / Autrice : Anna Bykalyuk
• Direction : Frédéric Kuznik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Joseph Virgone
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Kuznik, Joseph Virgone, Christian Inard, Hassane Naji, Erwin Franquet, Kevyn Johannes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Inard, Hassane Naji

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions -- Propriétés thermiques

Transfert de chaleur

Simulation numérique

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Mécanique des fluides numérique

Thermique des bâtiments

Paroi verticale

MCP - Matériau à changement de phase

Transfert de chaleur

Régime laminaire

Régime turbulent

Coefficient d'échange convectif

Modélisation CFD

CFD - Computanional Fluid Dynamics

Building physics

Vertical wall

PCM - Phase change materials

Heat transfer

Laminar flow

Turbulent flow

Convectif heat tranfer coefficient

CFD modelling

Résumé

De récentes études expérimentales ont montré que les valeurs usuelles du coefficient d’échange convectif sont différentes en présence de matériaux à changement de phase. Cette thèse de doctorat porte sur l'étude numérique des échanges convectifs fluide/paroi dans une cavité ouverte en régime dynamique. Plus précisément, les parois étudiées sont une paroi avec une capacité thermique et une paroi qui contient des matériaux à changement de phase. Trois modèles distincts ont été développés. Dans un premier temps un modèle (modèle 1) qui concerne l’interaction fluide-paroi à la surface d’une paroi résistive (temperature imposée) en régime laminaire stationnaire a été développé et validé. Les résultats ont été confrontés avec la littérature. Ensuite, les échanges convectifs à la surface d’une plaque capacitive (modèle 2) soumise à une rampe de température d’air ont été étudiés. Finalement, un troisième modèle (modèle 3) a été développé, à la suite du modèle 2. Ce dernier modèle concerne l’interaction fluide-paroi à la surface d’une paroi contenant des matériaux à changement de phase en régime dynamique. Les résultats obtenus révèlent des pics locaux du flux de chaleur au cours du temps. Ce fait témoigne du changement d’état à l’intérieur de la paroi qui contient le materiau à changement de phase. De plus, les courbes des coefficients d’échanges convectifs moyens révèlent la dépendance du coefficient d’echange convectif à la capacité thermique du materiau. Par conséquent, la présence des matériaux à changement de phase à l’intérieur d'une paroi influence l’évolution et la forme de la couche limite thermique.

Recent experimental studies have shown that the usual values ​​of the convective heat transfer coefficient h are no longer valid in the presence of phase change materials. Three separate models were developed. Initially a model 1 which treats the fluid-wall (constant temperature) interaction in steady laminar flow has been developed and validated. Then, the wall with heat capacity (model 2) subjected to an air temperature ramp were studied. Finally, a third model (3) has been developed which treats the interaction fluid-wall which contains a phase change material. The results show local peaks of heat flow over time. This fact reflects the phase change inside the wall. Moreover, the curves of the convective heat transfer coefficient indicate the dependence of the coefficient h to the wall’s energy storage capacity. Therefore, the presence of the phase change materials within a wall effect and changes the shape of the thermal boundary layer.