Etude de l’influence des paramètres opératoires sur l’intensification du transfert de chaleur en présence d’ultrasons

Study on the influence of operating parameters on heat transfer enhancement by means of ultrasound

• Auteur / Autrice : Christophe Poncet
• Direction : Nicolas Gondrexon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 15/07/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Henda Djeridi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Viviane Renaudin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Louisnard, Marc Miscevic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ultrasons -- Applications industrielles

Transfert de chaleur

Hydrodynamique

Mots clés libres

Hydrodynamique

Transfert de chaleur

Intensification

Ultrasons

Hydrodynamic

Heat transfer

Enhancement

Ultrasound

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l'utilisation des ultrasons comme méthode d'intensification des transferts thermiques en convection forcée. L'objectif de ce travail de thèse vise à mieux comprendre les mécanismes physiques en place, permettant ainsi d'optimiser les paramètres opératoires dans une perspective d'utilisation industrielle.Pour cela, une section d'essais, constituée d'un canal d'écoulement et d'une plaque chauffante, a été utilisée. Cette section d'essais permet d'intégrer un ou deux émetteurs ultrasonores. L'étude de l'influence des ultrasons est structurée à partir d'une analyse du transfert thermique convectif et de l'hydrodynamique. De plus, l'ensemble de cette étude est réalisé pour deux fréquences ultrasonores distinctes, 25 kHz et 2 MHz.Dans un premier temps, les effets produits par la combinaison de plusieurs champs ultrasonores de fréquence différente ont été étudié.Les résultats ont montré que la combinaison de champs ultrasonores permet d'améliorer l'activité cavitationnelle, se traduisant par une génération de turbulence au sein de l'écoulement. Lorsque cette turbulence est générée à proximité de la paroi chauffante, l'intensification du transfert thermique produit par les ultrasons est plus importante que dans le cas d'un champ ultrasonore unique.Dans un second temps, l'étude se porte sur l’influence des ultrasons sur le transfert thermique en fonction du régime d’écoulement.L'augmentation du nombre de Reynolds se traduit par une atténuation des effets hydrodynamiques produits par les ultrasons, néanmoins les effets sur le transfert thermique diffèrent selon la fréquence ultrasonore.L'ensemble des résultats de cette étude ont démontré un lien étroit entre l'intensification du transfert thermique produite par les ultrasons et l'épaisseur initiale de la couche limite thermique en conditions silencieuses. Enfin, une analyse énergétique a permis de montrer l'intérêt de l'utilisation des ultrasons pour intensifier les transferts thermiques dans le cadre d'applications industrielles.

This thesis focus on the use of ultrasound as a method to enhance heat transfer in forced convection. The objective of this thesis is to better understand the physical mechanisms involved, and thus optimise the operating parameters for industrial purposes.To reach this aim, a test section, consisting of a flow channel and a heating plate, was used. This test section allows to integrate one or two ultrasonic emitters. The study of ultrasound influence is here based on an analysis of convective heat transfer and hydrodynamics. In addition, the study is carried out with two different ultrasonic frequencies, 25 kHz and 2 MHz.At first, the effects produced by the combination of several ultrasonic fields of different frequencies were studied.The results showed that the combination of ultrasonic fields can improve the cavitational activity, which induce turbulence within the flow. When this turbulence is generated close of the heating wall, the enhancement of the heat transfer produced by the ultrasound is greater than in the case of a single ultrasound field.Then, the influence of ultrasound on heat transfer, depending on the flow regime is investigated.The increase of the Reynolds number results in an attenuation of the hydrodynamic effects produced by the ultrasound, however the effects on heat transfer differ according to the ultrasound frequency.The overall results of this study demonstrated a link between the heat transfer enhancement induced by ultrasound and the initial thickness of the thermal boundary layer in silent conditions. Finally, an energy analysis showed the interest of using ultrasound to enhance heat transfer for industrial applications.