Etude du transfert thermique dans les milieux confinés ou semi-confinés soumis à des conditions aux limites variables

HACHICHI, Farid (2024) Etude du transfert thermique dans les milieux confinés ou semi-confinés soumis à des conditions aux limites variables. Doctoral thesis, Faculté des sciences et de la technologie.

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Abstract

Cette thèse présente les résultats de deux études : la première concerne les effets des obstacles et leur localisation à l'intérieur d’une cavité carrée sur les performances thermiques du nanofluide hybride Cu– Al2O3/H2O et la seconde concerne l'écoulement convectif forcé et le transfert de chaleur autour de trois cylindres circulaires arrangés en tandem en milieu semi-confiné avec conditions aux limites variables. La première étude porte sur l'effet du nombre d’obstacles et de leur positionnement dans une cavité carrée sur les échanges thermiques. Ce travail considère le chauffage de la paroi inférieure de la cavité à une température constante élevée. La paroi supérieure de la cavité est adiabatique, tandis que les deux parois latérales verticales sont refroidies. Quatre cas sont explorés dans ces conditions : le premier cas est une cavité de forme carrée contenant un obstacle de forme carrée (h = l = 0,15 L), tandis que dans les trois autres cas la cavité comporte deux, trois et quatre obstacles carrés, respectivement. La cavité a été remplie d’un nanofluide hybride Cu Al2O3/H2O avec une fraction volumique φ = 0,03. Les résultats numériques ont été obtenus pour les régimes d'écoulement laminaire et stationnaire avec des nombres de Rayleigh 104 ≤ Ra ≤ 106. L'approche numérique des volumes finis a été utilisée pour résoudre les équations gouvernantes. Les résultats obtenus montrent que le nombre d'obstacles montés dans la cavité a un impact significatif sur l'échange de la chaleur et la structure de l’écoulement. Le deuxième cas, avec deux obstacles, améliore l'échange de chaleur plus que les autres cas (avec une, trois ou quatre obstacles). Dans cette configuration, lalocalisation de l'obstacle au niveau du plan Y = 0,25H est la plus adaptée pour booster la transmission de chaleur par le nanofluide. La position idéale de l'obstacle dans la quatrième configuration, qui comporte quatre obstacles, se situe au niveau du plan Y = 0,75H. Dans la deuxième étude, nous avons déterminé numériquement les caractéristiques de l'écoulement telles que les coefficients de traînée et de portance totaux, les isothermes, la vorticité, les nombres de Nusselt locaux et moyens pour le premier, le deuxième et le troisième cylindre pour différentes valeurs du rapport d'écart et pour un nombre de Reynolds constant avec un profil de vitesse parabolique à l’entrée du domaine de calcul. Les simulations numériques sont réalisées en résolvant les équations de continuité, de quantité de mouvement et d'énergie à l'aide du solveur commercial basé sur la méthode des volumes finis ANSYS-FLUENT. La iv présente étude a été menée en utilisant un nombre de Prandtl de 0,7 pour l'air comme fluide de travail, avec un nombre de Reynolds égal à 100, un rapport d'espacement variant de 2 à 5, et à une valeur fixe du rapport de blocage β = 0,25. On constate que les coefficients de force et la structure de sillage derrière les cylindres dépendent fortement de la valeur du rapport d'espacement. On constate aussi que le nombre de Nusselt moyen du premier cylindre se rapproche de celui d'un seul cylindre isotherme pour GR=5 et que le nombre de Nusselt moyen du deuxième cylindre représente environ 70 % de celui du premier cylindre. Enfin dans certains cas le comportement des caractéristiques de l'écoulement derrière le deuxième cylindre ne suit pas la tendance générale des variations.

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