Etude des échanges de chaleur sous un écoulement pulsé : application à des machines thermiques

Study of heat exchange under a pulsed flow : application for thermal engines

• Auteur / Autrice : Maximilien Blanc
• Direction : Céline Morin, David Chalet, Eric Delacourt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, Thermique, Combustion
• Date : Soutenance le 27/10/2022
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Sofiane Khelladi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Morin, David Chalet, Eric Delacourt, Monica Siroux, François Lanzetta, Adrian Clenci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Monica Siroux, François Lanzetta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Transfert de chaleur

Moteurs à combustion interne -- Combustion

Mots clés libres

Échangeur tubulaire

Refroidisseur d’air de suralimentation

Moteurs à combustion interne

Transferts thermiques convectifs

Écoulement pulsé

Fréquence de résonance

Tubular heat exchanger

Intercooler

Internal combustion engines

Convective heat transfer

Pulsating flow

Resonant frequency

Résumé

Dans le but d’optimiser la production d’énergie des moteurs à combustion interne et externe, une meilleure compréhension des écoulements pulsés est nécessaire. Or, ceux-ci sont fortement dépendants des transferts thermiques au sein des échangeurs de chaleur. Ces échangeurs sont de type tubulaire pour les moteurs à combustion externe et de type à ailettes comme le refroidisseur d’air de suralimentation pour les moteurs à combustion interne. Malgré différentes études effectuées pour ce type d’écoulement, les résultats ne concordent pas. En l’état actuel, il est impossible de définir les conséquences d’un écoulement pulsé sur les échanges de chaleur pour différentes géométries d’échangeur. L’objectif de cette thèse est d’avoir une meilleure compréhension des échanges de chaleur convectifs sous un écoulement pulsé et de pouvoir prédire une fréquence améliorant les transferts thermiques. La première partie de ce travail a été la conception et la mise en place de bancs d’essais permettant l’étude d’un écoulement pulsé proche de celui d’un moteur à combustion interne. L’étape suivante fut l’installation d’une instrumentation et le développement de procédures d’essais permettant de suivre l’évolution des échanges de chaleur convectifs pour deux géométries d’échangeur différentes. De nombreuses campagnes d’essais ont été réalisées pour caractériser l’impact de la fréquence sur le transfert de chaleur convectif pour différentes valeurs de débit et de température. Les deux régimes d’écoulements ont été investigués : le régime turbulent dans une configuration d’échangeur tubulaire (Re≈17000) et le régime laminaire dans un refroidisseur d’air de suralimentation (Re≈400). Les résultats expérimentaux ont été analysés par une approche analytique 1D qui a permis de mettre en évidence des phénomènes de résonance du fluide dans un tube. A la fréquence de résonance du fluide, une nette augmentation des échanges de chaleur est visible. Avec cette étude il est ainsi possible de définir une fréquence optimale en connaissant la géométrie de l’installation et les propriétés du fluide mis en jeu.

To optimize the internal and external combustion engine’s production of energy, a better understanding of pulsed flows is necessary. Nevertheless, these flows are strongly dependant on thermal transfers inside heat exchangers. These exchangers are in a tubular structure for external combustion engines and have cooling fins for internal combustion engines. Despite that different studies were made on this kind of flow, results were not unanimous. At this state of research, it is impossible to define the consequences of a pulsed flow on heat exchanges for different geometries of exchangers. The purpose of this thesis is to better understand the convective heat exchanges under a pulsed flow and to be able to define a frequency that would improve thermal transfers. The first part of this work was to design and build up the test benches to study a pulsed flow close to an internal combustion engine’s one. Then, a specific instrumentation had to be installed on the benches and several testing procedures were defined to follow the evolution of convective heat exchanges for two different exchanger’s geometries. A lot of testing campaigns were led to characterize the impact of frequency of convective heat transfer with different flow rate and temperature values. The two flow regimes were investigated: turbulent regime in a tubular exchanger configuration (Re ≈ 17000) and laminar regime in a charge air cooler (Re ≈ 400). The experimental results were analyzed with a 1D analytic approach that brought to evidence the physical phenomena of fluid resonance inside a pipe. At the fluid’s resonance frequency, a clear increase of heat exchanges is noticed. With this study, it became possible to know the optimal frequency by knowing the geometry of the used installation and fluid’s properties.