Adaptation des nano fluides aux échanges thermiques

DAAS, Amara (2025) Adaptation des nano fluides aux échanges thermiques. Doctoral thesis, Faculté des sciences et de la technologie.

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Abstract

Cette thèse présente les résultats de deux études dans les domaines des nanomatériaux et du transfert de chaleur utilisant des nanofluides. La première étude aborde les facteurs influençant la production de nanoparticules et la maîtrise précise de leur taille et de leur forme, tels que le temps de broyage, la durée de pause et la vitesse de rotation. Ces paramètres doivent être ajustés avec soin pour améliorer l’efficacité et éviter l’agglomération des particules. L’étude a également examiné les caractéristiques structurelles des nanopoudres de cuivre (Cu) et d’oxyde de cuivre (CuO), obtenues à l’aide d’un broyeur à billes planétaire sous atmosphère d’argon. Les opérations de broyage ont été effectuées sur différentes durées, avec une pause de 20 minutes après chaque 10 minutes de fonctionnement afin d’éviter une accumulation excessive de chaleur. Ce protocole peut être appliqué sur une période de 48 à 72 heures. Différentes techniques ont été utilisées pour déterminer la nature cristalline et chimique, ainsi que la taille des nanoparticules, notamment la microscopie électronique à balayage (MEB) pour l'observation directe de la morphologie nanostructurale, la diffraction des rayons X (DRX) pour obtenir des données sur la structure cristalline et les phases, et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) pour clarifier la structure. Les particules de cuivre avaient une taille de 20,8 nanomètres et celles d’oxyde de cuivre mesuraient 21,19 nanomètres. Il a été observé qu’à cette échelle, les propriétés physiques varient considérablement par rapport aux échelles macroscopiques. La deuxième étude porte sur le transfert de chaleur par convection forcée dans un échangeur de chaleur à double tube en forme de U, où le nanofluide composé d’eau et de nanoparticules d’Al₂O₃ circule dans le tube intérieur tandis que de l’eau pure circule dans le tube extérieur. Le domaine de calcul a été conçu à l’aide de Design Modeler (DM) et les maillages ont été générés via ANSYS Meshing pour assurer une précision numérique optimale. La turbulence a été modélisée à l’aide du modèle RANS k-ε, et les équations d’écoulement turbulent ont été résolues par la méthode des volumes finis dans ANSYS Fluent. La simulation a été utilisée comme un outil d’investigation, avec un nombre de Reynolds ajusté en fonction de différents débits massiques : (0,035, 0,058, 0,081 et 0,104) kg/s, ainsi que différentes fractions volumiques de nanoparticules (2,5 %, 5 %, 7,5 % et 10 %). L’analyse des résultats a montré que l’ajout de nanoparticules améliore le transfert thermique dans l’échangeur de chaleur. L’étude a également confirmé l’efficacité des échangeurs de chaleur en forme de U pour améliorer les performances, réduire les pertes de charge et assurer une distribution uniforme du flux, ce qui les rend idéaux pour les applications industrielles et commerciales .

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