Etude et conception de collecteurs solaires thermodynamiques à usage innovant pour bâtiment durable : Etude expérimentale et modélisation numérique

Study and design of thermodynamic solar collectors for innovative use for sustainable building: Experimental study and numerical modeling

• Auteur / Autrice : Amira M'hadbi
• Direction : Mohammed El ganaoui, Amenallah Guizani
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 20/05/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université de Tunis El Manar
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMAB - Laboratoire d'Études et de Recherche sur le Matériau Bois
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe Energétique, Mécanique, Construction Bois

Mots clés

Mots clés libres

Convection naturelle

Nanofluides non-Newroniens

Transfert de chaleur

Convection mixte

Applications des systèmes thermiques

Bâtiment durable

Natural convection

Non-Newtonian Nanofluides

Heat transfer

Mixed convection

Thermal systems applictaions

Green building

Résumé

Cette thèse a pour objectif d'étudier le transfert de chaleur généré par convection naturelle dans des milieux confinés de section carrée, remplis de fluides ou de nanofluides Newtoniens ou non Newtoniens, en l'absence ou en présence d'ailette. L'accent sera particulièrement mis sur le comportement des nanofluides non-newtoniens de type loi de puissance. Par ailleurs, une partie importante de l'effort a été consacrée au développement d'un outil de simulation numérique performant basé sur la méthode des éléments finis (MEF), pour modéliser le comportement rhéologique des fluides, résoudre les équations macroscopiques de Navier-Stokes et d'énergie, examiner l'impact des paramètres, et évaluer la stabilité des solutions. De plus un autre objectif de cette thèse est de caractériser expérimentalement l'écoulement des fluides par convection mixte dans un miocro-canal de section transversale carrée. Un écoulement tourbillonnaire est induit en appliquant un gradient thermique sur les parois latérales verticales du micro-canal. En conséquence, il est possible de manipuler rapidement l'écoulement secondaire généré par les phénomènes de flottabilité et de contrôler la direction du flux tourbillonnaire (sens de rotation) en ajustant le gradient de température. Des cellules Peltier, contrôlées par une unité Arduino, sont utilisées pour imposer le gradient thermique. Pour caractériser pleinement les phénomènes, le mouvement du fluide à l'intérieur du canal est analysé à l'aide de techniques 3D de micro-PTV (Defocusing Particle Tracking). Les informations sur la vitesse et la température sont ensuite utilisées pour simuler numériquement le système.

This thesis aims to study the heat transfer generated by natural convection in confined square-section environments filled with Newtonian or non-Newtonian fluids or nanofluids, in the absence or presence of fins. Particular emphasis will be placed on the behavior of power-law type non-Newtonian nanofluids. Furthermore, a significant portion of the effort has been dedicated to developing a high-performance numerical simulation tool based on the Finite Element Method (FEM) to model the rheological behavior of fluids, solve the macroscopic Navier-Stokes and energy equations, examine the impact of parameters, and evaluate the stability of the solutions. In addition, another objective of this thesis is to experimentally characterize the flow of fluids through mixed convection in a square cross-section microchannel. A vortex flow is induced by applying a thermal gradient to the vertical side walls of the microchannel. As a result, it is possible to rapidly manipulate the secondary flow generated by buoyancy phenomena and control the direction of the vortex flow (rotation direction) by adjusting the temperature gradient. Peltier cells, controlled by an Arduino unit, are used to impose the thermal gradient. To fully characterize the phenomena, the fluid motion inside the channel is analyzed using 3D micro-PTV (Defocusing Particle Tracking) techniques. Information on velocity and temperature is then used to numerically simulate the system