Concept innovant d'échangeur/réacteur multifonctionnel par contrôle dynamique passif par générateurs de vorticité flexibles

Innovative concept of multifunctional heat exchanger/reactor by passive dynamic control using flexible vortex generators

• Auteur / Autrice : Samer Ali
• Direction : Jean-Luc Harion, Thierry Lemenand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Énergétique, matériaux
• Date : Soutenance le 01/12/2015
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord). Département Energétique Industrielle - Ecole des mines de Douai / EMD
• Partenaire(s) de recherche : Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Hassan Peerhossaini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Harion, Thierry Lemenand, Christophe Gourdon, Frédéric Topin, Charbel Habchi, Sébastien Menanteau, Didier Saury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Gourdon, Frédéric Topin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Écoulement laminaire

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Échangeurs-Réacteurs multifonctionnels

Interaction fluide-Structure

Transfert thermique

Mélange laminaire

Simulations numériques

Multifunctional heat exchangers/reactors

Fluid–structure interaction

Heat transfer

Laminar mixing

Numerical simulation

Résumé

Le but de cette étude est d’étudier l’utilisation d’interactions fluide-structure (FSI) pour améliorer le transfert de chaleur et les performances de mélange dans des échangeurs-réacteurs multifonctionnels, et d’évaluer des configurations pour lesquelles l’objectif est de produire et de maintenir un régime dynamique auto-entretenu d’oscillations des générateurs de tourbillons flexibles. Dans un premier temps, deux études numériques ont été réalisées pour des écoulements laminaires bidimensionnels. Les résultats montrent qu’un minimum de trois générateurs de tourbillons alternés est nécessaire pour produire une instabilité qui engendre les oscillations de larges amplitudes. L’ajout de deux promoteurs coplanaires en amont déstabilise l’écoulement en créant des forces périodiques agissant sur les générateurs de tourbillons en aval. Il en résulte une augmentation de la vitesse réduite qui impose un blocage en fréquence des oscillations des générateurs de tourbillons en aval. Dans cette configuration, des oscillations de larges amplitudes sont obtenues pour uniquement deux générateurs de tourbillons en aval. Les oscillations des générateurs de tourbillons produisent une vorticité intense qui a une incidence positive que le transfert de chaleur et sur le mélange. Dans un second temps, une configuration tridimensionnelle HEV incluant des générateurs de tourbillons trapézoïdaux flexibles orientés a 45◦ vers l’amont est étudiée par simulations numériques. Une analyse FFT réalisée sur les coefficients issus d’une analyse POD montre un pic fréquentiel correspondant aux formations et lâchers tourbillonnaires périodiques. Cette fréquence dominante correspond bien au mode propre d’oscillation des générateurs de tourbillons et engendre ainsi de larges amplitudes d’oscillations.

The aim of this study is to investigate the use of fluid-structure interaction (FSI) to improve heat transfer and mixing performances in multi-functional heat exchangers/reactors, and to evaluate configuration designs where the main target is to produce and maintain self-sustained oscillations of flexible vortex generators. At first, two dimensional laminar flow studies are numerically investigated. The results show that a minimum of three alternating flaps is needed to produce an instability that leads to large displacement oscillations. However, the introduction of two co-planar flaps upstream destabilizes the flow by creating periodic forces that act on the alternating downstream flaps. Hence, this results in artificially increasing the reduced velocity that will induce the alternating flaps to be in a lock-in state. Thus in this case, large displacement amplitudes are created with two alternating flaps only. The free flaps oscillations produce vortices of higher strength which have a positive impact on heat transfer and mixing. Secondly, a three dimensional HEV configuration with flexible trapezoidal vortex generators inclined with an angle of 45◦ with respect to the wall and reversed opposite to the flow direction is numerically investigated. Fast Fourier Transformation is applied on the temporal variation of the Proper Orthogonal Decomposition (POD) coefficientswhich displays a dominant peak in the flow and corresponds to the vortices periodic formation and detachment. This dominant frequency synchronizes well with the structural oscillation frequency and the fundamental frequency of the tabs reaching a lock-in state and leading to large oscillation amplitudes.