[PDF] Étude expérimentale de lintensification des transferts thermiques

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THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LA COMMUNAUTÉ UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES Spécialité : Mécanique des fluides, Énergétique et Procédés

Arrêté 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-MEP²

Étude expérimentale de

l'intensification des transferts thermiques par les ultrasons en convection forcée

Thèse 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, Rapporteur

Mr Fréderic TOPIN

MaŠtre de ConfĠrences, UniǀersitĠ d'Aidž-Marseille - IUSTI, Rapporteur

Mr Nicolas GONDREXON

Professeur, Université Grenoble-Alpes - LRP, Directeur de thèse

Mr Sébastien FERROUILLAT

Maître de Conférences, Université Grenoble-Alpes - LEGI, Co-encadrant de thèse

Mr 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 thèse

Mme Marina BOUCHER

Ingénieur, ADEME Angers, invitée

i

Remerciements

-H PLHQV PRXP G·MNRUG j UHPHUŃLHU 3MPULŃH 72F+21 TXL P·M accueilli en tant que chef de laboratoire au sein du Laboratoire des

Échanges 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 IMLPHV

G·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" iii

Table des matières

Titre page

Introduction générale 1

des transferts thermiques 3 I.1 Généralités sur les écoulements 7

I.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 et

écoulements établis 13

I.1.5 Pertes de charge régulières en conduites uniformes 17

I.1.6 Conclusion au paragraphe I.1 18

I.2 Généralités sur les transferts thermiques 19

I.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 28

I.3.3 30

I.3.4 Dispositif de génération des ultrasons 28

I.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

iv

I.5.1 45

I.5.2 Effet des ultrasons sur la couche limite visqueuse 47

I.5.3 induits

dans le fluide 48

I.5.4 Conclusion au paragraphe I.5 50

I.6 Intensification des transferts thermiques 51

I.6.1 Méthodes passives 52

I.6.1.1 Optimisation des propriétés thermo- physiques des fluides : les nanofluides 52 53

I.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 67

I.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 76

I.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 97

II.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 v

II.2.3

thermique 109

II.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 112

II.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 126

II.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 130

II.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 135
III.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 147

III.2.1.1 Champs de vitesse moyens 147

vi

III.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 156

III.3.1.1 Champs de vitesse moyens 156

III.3.3.2 Champs de vitesse RMS 158

III.3.2 Caractérisation thermique silencieuse 159

III.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 168

IV.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

176
IV.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 à

25 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 à

1 MHz 201

IV.2.3 Effet des ultrasons à 2 MHz 202

IV.2.3.1 Étude hydrodynamique 202

vii

IV.2.3.2 Étude thermique 205

IV.2.3.3 Conclusion sur les essais effectués à

2 MHz 208

IV.3 Comparaison des trois fréquences testées et généralisation 209

IV.4 Conclusion au chapitre IV 219

Chapitre V

échangeur de chaleur

223
V.1

énergétique

225
V.1.1

sur la modification du débit volumique 229

mique par ultrasons sur la modification de la compacité 231 V.2quotesdbs_dbs28.pdfusesText_34

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