TRANSFERTS THERMIQUES CONVECTIFS Master 2 GdP Ph
Université Joseph Fourier Grenoble version modifiée le 9 Juillet 2012. Philippe.Marty@hmg.inpg.fr 3.1 Convection forcée laminaire sur plaque plane .
COURS DE TRANSFERTS THERMIQUES Philippe Marty 2012-2013
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14 avr. 2017 Le domaine de la convection thermique se situe à l'interface entre deux ... 2Voir http://servforge.legi.grenoble-inp.fr/projects/soft-uvmat ...
3.2_LEGI-Bilan _Scientifique-S2
10 déc. 2012 National de la Recherche Scientifique (CNRS) de Grenoble-INP et de ... La convection thermique qui se développe durant la journée à partir ...
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE LA COMMUNAUTÉ UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES Spécialité : Mécanique des fluides, Énergétique et ProcédésArrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
Odin BULLIARD-SAURET
Thèse dirigée par Nicolas GONDREXON et
Co-encadrée par Sébastien FERROUILLAT
préparée au sein du CEA / Liten à Grenoble dans l'École Doctorale I-MEP²Étude expérimentale de
l'intensification des transferts thermiques par les ultrasons en convection forcéeThèse soutenue publiquement le 7 Juillet 2016,
devant le jury composé de :Mme Vivianne RENAUDIN
Professeur, Université de Lorraine -
LRGP, Présidente du jury
Mr Jean-Yves HIHN
Professeur, Université de Franche-Comté - UTINAM, RapporteurMr Fréderic TOPIN
MaŠtre de ConfĠrences, UniǀersitĠ d'Aidž-Marseille - IUSTI, RapporteurMr Nicolas GONDREXON
Professeur, Université Grenoble-Alpes - LRP, Directeur de thèseMr Sébastien FERROUILLAT
Maître de Conférences, Université Grenoble-Alpes - LEGI, Co-encadrant de thèseMr Alain MEMPONTEIL
Docteur, Ingénieur de recherche, CEA Grenoble - LITEN, Co-encadrant de thèse Mme Laure VIGNAL Docteur, Ingénieur de recherche CNRS, LEGI Grenoble, Co-encadrante de thèseMme Marina BOUCHER
Ingénieur, ADEME Angers, invitée
iRemerciements
-H PLHQV PRXP G·MNRUG j UHPHUŃLHU 3MPULŃH 72F+21 TXL P·M accueilli en tant que chef de laboratoire au sein du Laboratoire desÉchanges Thermiques (LETh) au CEA-LITEN.
-H PLHQV pJMOHPHQP j UHPHUŃLHU )UHG GXŃURV ŃOHI GH O·MŃPXHO Laboratoire des Échangeurs Réacteurs (LER MQŃLHQ I(7O TXL P·M beaucoup aidé à appréhender et à comprendre les phénomènes de PXUNXOHQŃH TXH Ó·ML UHQŃRQPUps ORUV GH O·H[SORLPMPLRQ GHV UpVXOPMPVB Mes remerciements vont également aux deux directeurs successifs du Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels de Grenoble (LEGI), Christophe Baudet (P $ŃOLP JLUPO TXL P·RQP accueilli au sein de leur laboratoire afin que je puisse y réaliser mes HVVMLV H[SpULPHQPMX[B HOV P·RQP PRXÓRXUV MSSRUPp OH VRXPLHQ ORJLVPLTXH et moral nécessaire au bon déroulement de ces essais. Le travail de thèse présenté dans ce mémoire fait suite à un stage de seconde année de MasterB F·HVP SRXUTXRL ÓH PLHQV j UHPHUŃLHU chaleureusement mes trois encadrants GH O·pSRTXH )ORULMQ 7LQJMXG Sébastien FerrouilOMP HP 6PpSOMQH FROMVVRQ TXL P·RQP GRQQp OM ŃOMQŃH de ŃRPPHQŃHU O·OLVPRLUH MYHŃ HX[B I·MYHQPXUH MYHŃ 6pNMVPLHQ QH V·HVP SMV MUUrPpH j OM ILQ GX VPMJH SXLVTX·LO M SMUPLŃLSp j PRQ pTXLSH G·HQŃMGUHPHQP GH POqVH HQ PMQP TXH co-directeur. Il a fait équipe avec Nicolas Gondrexon (directeur de thèse), Laure Vignal (co-encadrante LEGI) et Alain Memponteil (co- encadrant CEA). Je souhaite leur exprimer ma profonde gratitude car ils ont toujours su me guider en me laissant totalement maitre de mon sujet. Du fond du ѱXU PHUŃL j YRXV TXMPUH ! Un travail de thèse ne gagne sa légitimité TX·MSUqV O·MSSURNMPLRQ des pairs : merci infiniment à Viviane Renaudin, Jean-Yves Hihn et Frederic Topin, les trois examinateurs qui ont accepté G·pYMOXHU ŃH travail de thèse, et qui par leurs remarques vont nous permettre de continuer à évoluer sur ce sujet de recherche. Un sujet se basant sur un travail expérimental, nécessite bien pYLGHPPHQP GHV ŃRQQMLVVMQŃHV PHŃOQLTXHVB F·HVP SRXUTXRL ÓH PLHQV j remercier sincèrement les " techs » du LER et les " mécanos » et personnels techniques du LEGI, qui ont tous pris le temps pour un coup ii de main ou un conseil malgré leur charge importante de travail. La liste est longue, et leur énumération semble impersonnelle, mais ne nous fions pas au[ MSSMUHQŃHV ŃMU OHXUV ŃRQPULNXPLRQV P·RQP PRXÓRXUV SHUPLV GH JMJQHU GX PHPSV RX G·MSSUHQGUH GH QRXYHOOHV ŃORVHVB 0HUŃL à Amélie, Jérôme, Franck, Olivier, Gilles, Pierre N, Mile, Joseph, Vincent, Stephane P-M , Murielle et Stéphane M. Mention spéciale à Greg, TXL P·M OXL MXVVL MSSRUPp VRQ MLGH PHŃOQLTXH VXU OM POqVH PMLV MYHŃ OHTXHO Ó·ML pJMOHPHQP SX P·MPXVHU sur des projets parallèles, scientifiques ou non. -·ML pJMOHPHQP HX OM ŃOMQŃH G·rPUH pSMXOp SMU GHX[ VPMJLMLUHV MX cours de la thèse. Daniela et Elnaz, ont réalisé une partie des essais H[SpULPHQPMX[ ŃH TXL P·M SHUPLV GH UpGLJHU XQ MUPLŃOH GH ŃRQIpUHQŃH MLQVL TX·XQH SMUPLH GX PpPRLUH GH POqVHB 0HUŃL LQILQLPHQP j YRXV deux pour cette aide précieuse! La vie au laboratoire est plus douce lorsque l·RQ HVP HQPRXUp GH " coplègues ª Oj HQŃRUH OM OLVPH HVP ORQJXH PMLV QpŃHVVMLUH" 0HUŃL j Ben (" coloc-coplègue »), Zym-Zym, CV, Baptiste, Paulo, Djomice, Gaulois, Testouille, Martin, François, Fiona, Adèle, Davy, Thibaut, Arnaud, Bruchi, Christina, Pierre, Pedre, Manillius, Chris, Arthur, GRXOI HP PRXV OHV MXPUHV TXH Ó·RXNOLH ŃMU OM PpPRLUH HVP SMUIRLV IMLPHVG·HPSUHLQPHV pYMQHVŃHQPHVB
Merci à Yves Toublanc, qui fut mon prof de physique-chimie et de biologie au collège et qui a fortement contribué à développer mon intérêt pour les sciences. Et pour finir un énorme merci à ma maman qui a encouragé très tôt ŃHP LQPpUrP HP JUkŃH j TXL Ó·ML SX découvrir " F·HVP SMV Sorcier », " Science et Vie Junior » et " Cosinus ». Ces magazines ont forgés OM ŃXOPXUH VŃLHQPLILTXH GH PRQ HQIMQŃH" iiiTable des matières
Titre page
Introduction générale 1
des transferts thermiques 3 I.1 Généralités sur les écoulements 7I.1.1 Viscosité 7
I.1.1.1 Viscosité dynamique 7
I.1.1.2 Viscosité cinématique 8
I.1.2 9
I.1.3 Notion de couche limite hydrodynamique 11 I.1.4 Couche limite hydrodynamique en écoulement interne etécoulements établis 13
I.1.5 Pertes de charge régulières en conduites uniformes 17I.1.6 Conclusion au paragraphe I.1 18
I.2 Généralités sur les transferts thermiques 19I.2.1 Conduction thermique 20
I.2.2 Convection thermique 21
I.2.2 Couche limite thermique 22
I.2.3 Conclusion au paragraphe I.2 24
I.3 Généralités sur les ultrasons 25
I.3.1 27
I.3.2 Ondes progressives et stationnaires 28I.3.3 30
I.3.4 Dispositif de génération des ultrasons 28I.4 Effets hydrodynamiques des ultrasons 33
I.4.1 Cavitation acoustique 34
I.1.1.1 Phénomènes érosifs 37
I.1.1.2 Effets chimiques 38
I.4.1.3 38
I.4.2 Courant acoustique 39
I.5 Interaction ultrasons-écoulement 44
ivI.5.1 45
I.5.2 Effet des ultrasons sur la couche limite visqueuse 47I.5.3 induits
dans le fluide 48I.5.4 Conclusion au paragraphe I.5 50
I.6 Intensification des transferts thermiques 51I.6.1 Méthodes passives 52
I.6.1.1 Optimisation des propriétés thermo- physiques des fluides : les nanofluides 52 53I.6.1.3 Modification de la géométrie de la surface 58 : Les ailettes
I.6.2 Méthodes actives 60
I.6.2.1 Parois de canal fixes 60
I.6.2.2 Parois de canal mobiles 63
I.6.3 Conclusion au paragraphe I-6 66
I.7 Intensification ultrasonore des transferts thermiques : État 67I.7.1 Convection naturelle 69
I.7.1.1 Influence de la distance transducteur plaque chauffante 71 chauffante 73 I.7.1.3 Effet de la cavitation acoustique 76I.7.1.4 Effet du courant acoustique 83
I.7.2 Convection forcée 89
I.7.3 Conclusion au paragraphe I-7 92
I.8 Conclusion au Chapitre I 93
Chapitre II: Dispositif expérimental et méthodes 97II.1 100
II.1.1 Présentation des 101
II.2 ALTO 102
II.2.1 103
II.2.2 Présentation de la plaque chauffante 106 vII.2.3
thermique 109II.2.4 110
II.2.5 Répétabilité des essais 112
II.3 Mesure des champs de vitesse 112
II.3.1 Principe de la mesure de vitesse par PIV 2D-2C 112II.3.2 Dispositif PIV utilisé 114
II.3.3 Traitement des images et calcul des champs de vitesse 116 II.3.4 Incertitudes des mesures de PIV 2D-2C 120 II.3.4.1 Évaluation des incertitudes de mesures 120 II.3.4.2 PIV 2d-2C dans le cadre de cette étude 121 II.4 Caractérisation des transducteurs ultrasonores 122 II.4.1 Caractérisation de la puissance ultrasonore des transducteurs 124 II.4.1.1 Caractérisation du réacteur 126II.4.1.2 Calorimétrie des transducteurs
ultrasonores 127 II.4.2 Caractérisation de la cavitation acoustique 128 II.4.2.1 Caractérisation des effets mécaniques de la cavitation acoustique 128 II.4.2.2 Caractérisation des effets chimiques de la cavitation acoustique 130II.4.2.3 Conclusions liées à la caractérisation de la 133 acoustique cavitation
II.6 Conclusion au Chapitre II 133
Chapitre III : Caractérisation silencieuse de la 135III.1 Configuration n°1 : eau sans poreux 138 III.1.1 Caractérisation hydrodynamique silencieuse 139
III.1.1.1 Champ de vitesse moyen 139
III.1.1.2 Champs de vitesse RMS 141
III.1.2 Caractérisation thermique silencieuse 143 III.1.3 Conclusion sur la configuration n°1 silencieuse 145 III.2 Configuration n°2 : eau avec poreux 146 III.2.1 Caractérisation hydrodynamique silencieuse 147III.2.1.1 Champs de vitesse moyens 147
viIII.2.1.2 Champs de vitesse RMS 150
III.2.2 Caractérisation thermique silencieuse 153 III.2.3 Conclusion sur la configuration n°2 silencieuse 155 III.3 Configuration n°3 : eau glycolée avec poreux 155 III.3.1 Caractérisation hydrodynamique silencieuse 156III.3.1.1 Champs de vitesse moyens 156
III.3.3.2 Champs de vitesse RMS 158
III.3.2 Caractérisation thermique silencieuse 159III.4 Comparaison des trois configurations 160
III.4.1 Comparaison hydrodynamique 160
III.4.2 Comparaison thermique 162
III.5 Conclusion au chapitre III 164
Chapitre IV : Intensification thermique en régime acoustique 165 IV.1 Effet de la puissance ultrasonore sur les transferts thermiques convectifs 168IV.1.1 Essais effectués à 25 kHz 170
IV.1.2 Essais effectués à 1 MHz 171
IV.1.3 Essais effectués à 2 MHz 174
176IV.2 Effets couplés de la fréquence ultrasonore et du régime 176
IV.2.1 Effet des ultrasons à 25 kHz 177
IV.2.1.1 Étude hydrodynamique 177
IV.2.1.2 Étude thermique 185
IV.2.1.3 Conclusion sur les essais réalisés à25 kHz 189
IV.2.2 Effet des ultrasons à 1MHz 190
IV.2.2.1 Étude hydrodynamique 190
IV.2.2.2 Étude thermique 196
IV.2.2.3 Conclusion sur les essais effectués à1 MHz 201
IV.2.3 Effet des ultrasons à 2 MHz 202
IV.2.3.1 Étude hydrodynamique 202
viiIV.2.3.2 Étude thermique 205
IV.2.3.3 Conclusion sur les essais effectués à2 MHz 208
IV.3 Comparaison des trois fréquences testées et généralisation 209IV.4 Conclusion au chapitre IV 219
Chapitre V
échangeur de chaleur
223V.1
énergétique
225V.1.1
sur la modification du débit volumique 229
mique par ultrasons sur la modification de la compacité 231 V.2 des transferts thermiques 234V.3 Conclusion au chapitre V 237
Conclusions générales et perspectives 239
Bibliographie 246
viiiTable des Figures et des Tableaux
Figures Pages
Chapitre 1
Figure I-1 : Expérience de Couette et profils de vitesses associés : (a) dans la phase demise en mouvement du liquide visqueux à vitesse angulaire constante ; (b) en régime
stationnaire de rotation. Les courbes indiquent les variations de la vitesse angulaire entre les cylindres central et externe en fonction du rayon (Guyon, et al., 2001) 8Figure I-2 :
transitoire, (c) régime turbulent (Reynolds, 1883) 9Figure I-3 :
(Schlichting, et al., 1999) 11Figure I-4 :
et Tietjens en 1930 (Prandtl, et al., 1929/1931) de la flèche. La plaqueest matérialisée par le trait rouge. Les trainées blanches sont les trajectoires dessinées par
12Figure I-5 :
bles : laminaire (1), transitoire (2) et turbulent (3). Une sous-couche laminaire (viscous sublayer) se forme en dessous de la couche turbulente (Battaglia, et al., 2010)12
Figure I-6 : dans une conduite. Les couches
limites visqueuses sont représentées en rouge, les vitesses aux différentes positions sontnotées un. Le profil de vitesse associé à ces positions est représenté par des flèches noires et
Le(Taine, et al., 2008)
13Figure I-7 :
limites visqueuses sont représentées en rouge. La transition turbulente de la couche limite turbulent sont respectivement notées xt, xc et xe(Taine, et al., 2008) 14 Figure I-8 : Profil de vitesse obtenu dans la couche limite turbulente en fonction de la distance à la paroi. Les grandeurs sont adimensionnalisées. Les cercles et les triangles représentent les valeurs expérimentales obtenues respectivement par J. Kerstin et P.D Richardson en 1963 ainsi que par E.R Lindgren en 1974. Ces valeurs sont rapportées par Schlichting et Gersten dans " Boundary Layer Theory » (Schlichting, et al., 1999) 15 Figure I-9 : Évolution du profil de vitesse en fonction de de vitesses se rapprochent du comportement modélisé par la loi logarithmique caractéristique de la couche de chevauchement (Bailly, et al., 2003) 16 Figure I-10 : Profils de la vitesse RMS en fonction de la distance addimentionnelle à la paroi y+ (Zaric, 1979). La paroi de la conduite, la composante Vy est perpendiculaire à la paroi et la composante et Vz est perpendiculaire aux deux autres et parallèle à la paroi de la conduite 17 ixFigure I-11 : -
cylindrique dans le cas où Tentrée > Tsortie 20 Figure I-12 : (I-18) mis en jeu dans le cas de transferts thermiques par conduction à une dimension 20 Figure I-13 : Illustration du développement de la couche limite thermique sur une surface plane dont la température de surface Tp (Battaglia, et al., 2010) 22Figure I-14 : Illustration du phénomène de couches limites dans le cas où le nombre de
Prandtl est inférieur à 1 (indépendance de la diffusion thermique par rapport à la diffusion
visqueuse) (Bianchi, et al., 2004) 24Figure I-15 :
de la puissance acoustique (Petrier, et al., 2008) 25Figure I-16 :
entre deu 28Figure I-17 :
rigide (a) et (c) et0 et les lignes pointillées ces mêmes
paramètres une demi période temporelle plus tard (Leighton, 1994) 29Figure I-18 : Montage " triplet » classiquement rencontré dans les dispositifs nécessitant de fortes puissances acoustiques à basse fréquence ultrasonore. La multiplication de ce (Petrier, et al., 2008) 31
Figure I-19 :
élongation sinusoïdale, un courant continu est appliqué (point de fonctionnement moyen M de la courbe) auquel se superpose un courant alternatif. (b) Exemple de dispositif en bloc feuilleté permettant de diminuer les pertes énergétiques par courants de Foucault. (Sapirel, 1994) 31Figure I-20 : Exemples de sirène tournante (a) et de sifflet à air (b) capables de produire des ondes ultrasonores dans un gaz (Sapirel, 1994) 32
Figure I-21 :
acoustique I [W.m-2] peut être localement importante (Petrier, et al., 2008) 33Figure I-22 :
dont la courbure avec le fluide est négative (Leighton, 1994) 35Figure I-23 : Illustration du concept de pression négative issue de la somme de la pression statique du fluide et de la pression oscillante générée par les ultrasons (Leighton, 1994) 35
Figure I-24 :
cavitation acoustique en fonction du rayon initial des nucléus et de la fréquence utilisée (Leighton, 1994) 36Figure I-25 : Prédiction théorique du comportement de bulles de différents rayons initiaux dans un champ acoustique de 10 kHz et pour une pression acoustique de 2,5 bars. Ces -Plesset) non présentée dans ce manuscrit (Leighton, 1994) 37
Figure I-26 : -même en générant un jet de fluide partant de son centre indiqué par la flèche rouge (Leighton, 1994) 38
x
Figure I-27 :
transmettre les ultrasons au milieu sont respectivement égaux à 12 mm (a) et 6 mm (b). cavitation (Mandroyan, et al., 2009) 39Figure I-28 : Visualisation du courant acoustique généré par un transducteur de 32 MHz. Image issue de la superposition de dix images prises à un intervalle de temps de 200 ms. Le (Leighton, 1994) 40
Figure I-29 : Évolution de la vitesse du courant acoustique généré par une sonotrode pour
différentes intensités acoustiques (Mandroyan, 2009) 41Figure I-30 : Schéma du motif dessiné par le courant acoustique et obtenu dans une cavité réso (Wiklund, et al., 2012)) 42
Figure I-31 : Trajectoires suivies par les micro mouvements de convection apparaissant solide (gauche) (Leighton, 1994) (Fand, et al., 1960)
43
Figure I-32 : Trajectoires suivies par les micro mouvements de convection apparaissant -31 dans le (Leighton, 1994) (Fand, et al., 1960) 43
Figure I-33 : Trajectoires suivies par les micro-mouvements de convection dans le cas de
Figure I-31
(Leighton, 1994) 43Figure I-34 :
interactions (Nomura and Sasaki, et al., 2000; Nomura, et al., 2002; Barthès, et al., 2015; Mazue, et al., 2015) 44Figure I-35 :
(Lee, et al., 2002) 45Figure I-36 : ; vide = US)
= 800 mm, fréquence ultrasonore 25 kHz, puissance ultrasonore 40 Wus. Les trait pointillés et continus correspondent respectivement aux profils théoriques turbulents et laminaires de vitesse dans les conditions testées par (Nomura, et al., 2002) 45Figure I-37 :
Reynolds en régime acoustique et silencieux. U [m.s-1] est la vitesse débitante du fluide (Nomura, et al., 2002) 46Figure I-38 : Comparaison de la vitesse pariétale équivalente Vp (obtenue par mesure électrochimique) avec les PIV en régime acoustique et silencieux (Mazue, et al., 2015) 47
Figure I-39 :
écoulements laminaire et turbulent. ݑାൌ௨ ௨ഓ ݁t ݕାൌ௬௨ഓ ఘ. Pour rappel, ߬ [N.m-2] représente la contrainte de cisaillement et ߩ fluide en régime silencieux (Nomura, et al., 2002) 48xi
Figure I-40 : Direction
Fréquence ultrasonore 20 kHz, puissance ultrasonore 51 Wus (Barthès, et al., 2015) 49Figure I-41 : Illustration de bouffée turbulente obtenue dans la couche li age). Le nombre de Reynolds
2.105) (Cantwell, et al., 1978)
54Figure I-42 : pétales » utilisés en configuration avant ou arrière et détail en vue de face et de dessus (Eiamsa-arda, et al., 2007) 55
Figure I-43 : (Kongkaitpaiboon, et al.,
2010)55
Figure I-44 : (Eiamsa-ard, et al., 2010) 55
Figure I-45 : Exemple de fil spiralé triangulaire inséré dans un tube (Gunes, et al., 2010) 56
Figure I-46 : Exemple de " Twisted tapes » présentant différentes tailles de pas de torsade (Maddaha, et al., 2014) 57Figure I-47 : " helical plates » avec ou sans barreau central (a et b) et discontinues (c) (Tabatabaeikia, et al., 2014) 57
Figure I-48 :
(Promvonge, 2008) 57quotesdbs_dbs23.pdfusesText_29
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[PDF] C111 Convenio sobre la discriminación (empleo y ocupación), 1958
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