Optimisation à grand nombre de paramètres pour l'intensification des transferts par générateurs de vorticité

Large Design Space Exploration for Designing Optimal Vortex Generators for Heat Transfer Enhancement

• Auteur / Autrice : Hassan Karkaba
• Direction : Daniel Bougeard, Thierry Lemenand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et thermique
• Date : Soutenance le 18/02/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : : Lebanese international university
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMT Nord Europe - Centre for Energy and Environment / CERI EE
• Jury : Président / Présidente : Didier Saury
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Della Valle
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catalin Viorel Popa, Monica Siroux

Mots clés

Mots clés libres

Générateurs de vorticité

Echangeurs thermiques

Régime laminaire et turbulent

Intensification du transfert thermique

Convection mixte et forcée

Optimisation

Vortex generators

Heat exchangers

Laminar and turbulent

Heat transfer enhancement

Mixed and forced convection

Shape optimization

Résumé

L’intensification des transferts de chaleur est essentielle pour de nombreuses applications comportant des composants tels que les échangeurs thermiques ou échangeurs-réacteurs multifonctionnels. Cette intensification peut être obtenue par la génération dans l’écoulement de structures cohérentes telles que les tourbillons longitudinaux à l’aide de générateurs de vorticité (VGs). Des optimisations de formes ont été conduites ces dernières décennies pour identifier des géométries optimales. Cependant, le nombre de variables de dimensionnement reste souvent limité à deux voire trois paramètres : l’angle d’attaque, l’angle de roulis et le facteur de forme. Dans la présente étude, des optimisations sont conduites par voie de simulation numérique en explorant un large espace de dimensionnement avec des fonctions multi-objectives pour trouver des géométries optimisées de générateurs de vorticité. Les simulations sont menées pour différentes formes de VG dans des écoulements de canal entre plaques planes parallèles pour des régimes d’écoulement laminaires ou turbulents en convection mixte ou forcée. Systématiquement les modèles numériques mis en œuvre sont tout d’abord validés par des données expérimentales ou numériques disponibles dans la littérature. Puis sept variables géométriques sont considérées pour les études d’optimisation : angle d’attaque, angle de roulis, deux angles de base, hauteur, longueur et un paramètre de forme. Sur la base des études d’optimisation réalisées, des nouvelles géométries de promoteurs de vorticité ont été identifiées comme ayant un facteur de performance supérieur à celui de la géométrie de canal lisse de référence et aux résultats trouvés dans la littérature, pour chaque régime d’écoulement. Des analyses locales de la topologie de l’écoulement et des transferts sont conduites pout les différentes géométries de générateurs de vorticité afin de comprendre les mécanismes mis en jeu.

Convective heat transfer enhancement is essential in numerous applications involving components such multi-functional heat exchangers/reactors. The intensification can be achieved by generating stream-wise vortices and coherent flow structures using Vortex Generators (VGs). Shape optimization of VGs have been carried out over the last decades to find enhanced designs. Meanwhile, the designe variables were limited to two or three such as angle of attack, roll angle and shape factor. Int the present study, optimization using a large space exploration design via miltiobjectiv function are conducted by means of numerical simulations to fond optimal VG designs. Simulations are performed over the VG shape in rectangular parrallel plate channel flows under forced and mixed convection in laminar and turbulent flow regimes. Firstly, numerical results are valited vs experimental or numerical data from the open literature. Then, seven design parameters are considered with different incremental values whiche are : attack angle, roll angle, base angle, height, length, and shape length. Based on the optimizatio studies performed, new enhanced VGs are found with an increase in the thermal enhancement factor relative to an empty channel and literature results in each flow regime. Local analysis of the flow structure and heat transfer processes are conducted for the new optimized VG and for other classical VG shapes in order to better understand phenomenological mechanisms involved.