Modélisation et simulation des transferts thermiques pariétaux en écoulement turbulent complexe PDF Download
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AFIN D'ETUDIER LES TRANSFERTS THERMIQUES PARIETAUX EN ECOULEMENT TURBULENT COMPLEXE, ON ABORDE DANS CE TRAVAIL DEUX APPROCHES: MODELISATION ET SIMULATION. L'ECOULEMENT INCOMPRESSIBLE AUTOUR D'UNE MARCHE DESCENDANTE A ETE CHOISI COMME CAS TEST POUR LEQUEL ON TROUVE UNE ABONDANTE BASE DE DONNEES EXPERIMENTALES. DANS UNE PREMIERE PARTIE, ON COMPARE DIFFERENTS MODELES DE PAROI EN CONJONCTION AVEC LE MODELE DE TURBULENCE K-EPSILON STANDARD. ON ANALYSE LES PERFORMANCES DES MODELES DU TYPE LOIS DE PAROI: MODELES A UNE, DEUX ET TROIS COUCHES ; ET DES MODELES A BAS NOMBRE DE REYNOLDS TURBULENT: MODELE DE LAUNDER ET SHARMA ET MODELE DE LAM ET BREMHORST. ON MONTRE AINSI LES LIMITATIONS DES METHODES CLASSIQUES POUR DETERMINER LES TRANSFERTS THERMIQUES PARIETAUX. LE BUT DE LA DEUXIEME PARTIE EST PRECISEMENT DE CHERCHER A MIEUX COMPRENDRE LES MECANISMES PHYSIQUES QUI RELIENT LES CHAMPS DYNAMIQUE ET THERMIQUE. POUR CELA ON UTILISE UNE APPROCHE NUMERIQUE INSTATIONNAIRE QUI PERMET DE SUIVRE L'EVOLUTION DES PHENOMENES THERMIQUES. IL S'AGIT DE LA SIMULATION DU TRANSPORT PASSIF DE LA TEMPERATURE DANS L'ECOULEMENT. ON S'INTERESSE EN PARTICULIER AU DECALAGE DE LA POSITION DU MAXIMUM DU COEFFICIENT LOCAL DE TRANSFERT THERMIQUE ET DU POINT DE RECOLLEMENT. DANS LES 2 PARTIES, LES RESULTATS NUMERIQUES SONT COMPARES A CEUX, EXPERIMENTAUX, TROUVES DANS LA LITTERATURE
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AFIN D'ETUDIER LES TRANSFERTS THERMIQUES PARIETAUX EN ECOULEMENT TURBULENT COMPLEXE, ON ABORDE DANS CE TRAVAIL DEUX APPROCHES: MODELISATION ET SIMULATION. L'ECOULEMENT INCOMPRESSIBLE AUTOUR D'UNE MARCHE DESCENDANTE A ETE CHOISI COMME CAS TEST POUR LEQUEL ON TROUVE UNE ABONDANTE BASE DE DONNEES EXPERIMENTALES. DANS UNE PREMIERE PARTIE, ON COMPARE DIFFERENTS MODELES DE PAROI EN CONJONCTION AVEC LE MODELE DE TURBULENCE K-EPSILON STANDARD. ON ANALYSE LES PERFORMANCES DES MODELES DU TYPE LOIS DE PAROI: MODELES A UNE, DEUX ET TROIS COUCHES ; ET DES MODELES A BAS NOMBRE DE REYNOLDS TURBULENT: MODELE DE LAUNDER ET SHARMA ET MODELE DE LAM ET BREMHORST. ON MONTRE AINSI LES LIMITATIONS DES METHODES CLASSIQUES POUR DETERMINER LES TRANSFERTS THERMIQUES PARIETAUX. LE BUT DE LA DEUXIEME PARTIE EST PRECISEMENT DE CHERCHER A MIEUX COMPRENDRE LES MECANISMES PHYSIQUES QUI RELIENT LES CHAMPS DYNAMIQUE ET THERMIQUE. POUR CELA ON UTILISE UNE APPROCHE NUMERIQUE INSTATIONNAIRE QUI PERMET DE SUIVRE L'EVOLUTION DES PHENOMENES THERMIQUES. IL S'AGIT DE LA SIMULATION DU TRANSPORT PASSIF DE LA TEMPERATURE DANS L'ECOULEMENT. ON S'INTERESSE EN PARTICULIER AU DECALAGE DE LA POSITION DU MAXIMUM DU COEFFICIENT LOCAL DE TRANSFERT THERMIQUE ET DU POINT DE RECOLLEMENT. DANS LES 2 PARTIES, LES RESULTATS NUMERIQUES SONT COMPARES A CEUX, EXPERIMENTAUX, TROUVES DANS LA LITTERATURE
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Cette étude porte sur le transfert thermique pariétal dans un canal plan turbulent. L'étude est théorique et numérique. Nos simulations directes (DNS) sont effectuées avec le code de calcul Incompact3d. On a porté un intérêt particulier aux grandeurs que l'on trouve dans les bilans des flux thermiques turbulents et de la variance de la température : ces données permettent de valider les modèles de type RANS. On analyse également nos simulation à l'aune de statistiques plus fines, telles que les corrélations en 2 points. On distingue 2 traitements de la thermique dans le cas du canal plan turbulent : avec ou sans prise en compte du transfert thermique conjugué (couplage thermique fluide/solide). Pour les cas avec transfert thermique conjugué, on a mis en évidence une condition de compatibilité dans l'espace spectral entre la température et le flux de chaleur à l'interface fluide-solide. En l'absence de transfert thermique conjugué, notre étude se borne aux conditions limites qui sont une combinaison linéaire à coefficients constants de la température et du flux de chaleur à la paroi (Dirichlet, Neumann, Robin). Pour ces conditions aux limites simples, on met en évidence une condition de compatibilité entre les valeurs pariétales de la variance de la température et la partie normale de la dissipation associée. D'une part, cette relation souligne les limites des simulations avec une température ou un flux imposé à la paroi. D'autre part, elle permet de construire des conditions de type Robin sur-mesure qui donnent des résultats proches de ceux obtenus avec transfert thermique conjugué pour la configuration du canal plan turbulent.
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Dans de nombreux dispositifs industriels comme les conduites de refroidissement des moteurs de fusées, un écoulement turbulent est en contact avec une paroi solide chaude.L'instabilité due aux courbures ajoutée au confinement créent des courants orthogonaux au flux principal d'une intensité pouvant aller jusqu'à 20% de celui-ci. Pour comprendre les interactions entre ces courants secondaires et les transferts thermiques, des résultats de simulations numériques des grandes échelles sont obtenus dans des conduites pouvant présenter des courbures et des parois chauffées. Un écoulement pleinement développé est injecté à l'entrée du domaine par la simulation synchrone d'une conduite périodique. Un modèle de viscosité turbulente a été implanté dans le code de calcul et aucune loi de paroi n'est utilisée. Une température supérieure est d'abord appliquée sur une des quatre parois d'une conduite carrée rectiligne pour une validation du code de calcul. Les mécanismes d'éjections de fluide chaud de la paroi chauffée vers le coeur de la conduite sont bien représentés et on peut observer le développement progressif de la couche limite thermique. L'évolution spatiale de l'écoulement a ensuite permis d'appliquer un flux constant.Une conduite de section rectangulaire en forme de S a ensuite été simulée. A chaque courbure, apparaît un fort flux secondaire inhérent au gradient de pression normal aux parois courbes. Ceci implique la naissance d'une paire de tourbillons longitudinaux contra-rotatifs de type "Dean" ou "Ekman" évoluant au voisinage de la paroi convexe.L'interaction entre ces courants secondaires et le mélange turbulent est étudiée suivant les modes de chauffage.
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AFIN DE PREDIRE LES ECOULEMENTS TURBULENTS AVEC TRANSFERTS THERMIQUES, ON A ELABORE ET ETUDIE DES MODELES DU DEUXIEME ORDRE. POUR LA CONSTRUCTION DE CES MODELES, ON A UTILISE LES EQUATIONS DE TRANSPORT DES ECHELLES CARACTERISTIQUES DE LA TURBULENCE. UNE ANALYSE D'ORDRE DE GRANDEUR DE TOUS LES TERMES, DE CES EQUATIONS, EST FAITE EN UTILISANT L'HYPOTHESE DE GRANDS NOMBRES DE REYNOLDS ET PECLET. LE MODELE A DEUX EQUATIONS (-) EST EMPLOYE POUR L'HYDRODYNAMIQUE. POUR LA THERMIQUE, DEUX MODELES SONT DEVELOPPES: PRT+TETA2 ET MODELE COMPLET. LE PREMIER UTILISE LA DIFFUSIVITE THERMIQUE TURBULENTE CALCULEE A PARTIR D'UN NOMBRE DE PRANDTS TURBULENT ET UNE EQUATION POUR LA VARIANCE DE LA FLUCTUATION DE TEMPERATURE. LE DEUXIEME EST FORME DE TROIS EQUATIONS: FLUX DE CHALEUR TURBULENT, VARIANCE DE LA FLUCTUATION DE TEMPERATURE ET SON TAUX DE DISSIPATION. CES MODELES ONT ETE VALIDES SUR QUATRE EXPERIENCES, QUI FONT INTERVENIR PROGRESSIVEMENT TOUS LES TERMES DES EQUATIONS: ECOULEMENT D'AIR EN AVAL D'UNE GRILLE (TEMPERATURE MOYENNE CONSTANTE); ECOULEMENT D'AIR EN AVAL D'UNE GRILLE AVEC GRADIENT DE TEMPERATURE; JET AXISYMETRIQUE D'AIR FAIBLEMENT ET FORTEMENT CHAUFFE; MELANGE (FROID-CHAUD) DE DEUX JETS COAXIAUX DE SODIUM A GRAND NOMBRE DE PECLET. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT QUE LE MODELE COMPLET FOURNIT DES MEILLEURS ACCORDS CALCULS-MESURES, ET PERMET DE TRAVAILLER D'UNE FACON PLUS GENERALE.
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Cette thèse est une contribution à la simulation numérique des transferts de quantité de mouvement et de chaleur dans les écoulements turbulents de fluides non-Newtoniens dans une conduite cylindrique fixe. La viscosité du fluide utilisé est décrite par la loi d'Ostwald de Waele. Deux modèles sous-mailles dans l'approche des simulations des grandes échelles ont été considérés : le modèle dynamique de Germano et al. (1991) et le modèle de Smagorinsky non-Newtonien. Ils sont utilisés pour décrire les mécanismes physiques mis en jeu dans les écoulements isothermes de ces fluides à rhéologie complexe. Les transferts thermiques sont simulés avec le modèle de Smagorinsky non-Newtonien. Ces derniers sont traités en deux parties. La première concerne les échanges de chaleur sans influence sur la distribution des vitesses. Il s'agit des écoulements non-thermo dépendants ou écoulements isothermes. La deuxième partie concerne la résolution des écoulements thermo dépendants qui mettent l'accent sur les modifications induites par le couplage vitesse-température. Les champs turbulents sont analysés statistiquement en moyennant dans le temps et dans l'espace (suivant les directions périodiques) les champs instantanés de vitesse et de température pour établir les profils moyens de vitesse et de température, les rms, la tension de Reynolds, les flux de chaleur, les moments d'ordre plus élevé (coefficients de dissymétrie et d'aplatissement), les pdf (fonction de densité de probabilté), les jpdf (fonction de densité de probabilité jointe), le coefficient de frottement, le nombre de Nusselt... Ces différentes grandeurs sont analysées en fonction des divers paramètres qui gouvernent le problème: les nombres de Reynolds et de Prandtl, l'indice d'écoulement et le nombre de Pearson.
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AFIN D'AMELIORER LE RENDEMENT THERMIQUE DES TURBOREACTEURS, LES CONSTRUCTEURS AERONAUTIQUES AUGMENTENT LA TEMPERATURE EN ENTREE DE TURBINE. LES AUBAGES DE LA TURBINE HAUTE-PRESSION SONT ALORS SOUMIS A DES SOLLICITATIONS THERMIQUES DEPASSANT LES CONTRAINTES ADMISSIBLES DES MATERIAUX, CE QUI MET EN PERIL LA DUREE DE VIE DU MOTEUR. IL EST ALORS IMPORTANT DE DISPOSER D'UN OUTIL PERFORMANT POUR PREDIRE LES TRANSFERTS DE CHALEUR PARIETAUX. LES CODES DE CALCUL SONT ALORS DES SOLUTIONS ADAPTEES. LA COMPLEXITE DE L'ECOULEMENT, EN PARTICULIER SON ASPECT TURBULENT, INFLUENCE FORTEMENT LES TRANSFERTS DE CHALEUR. IL EST CLAIR QUE LA CONNAISSANCE DU REGIME DE L'ECOULEMENT ET DE L'EMPLACEMENT DE LA TRANSITION EST ALORS INDISPENSABLE POUR UNE PREDICTION CORRECTE DES FLUX DE CHALEUR A LA PAROI. PAR CONSEQUENT, L'OBTENTION D'UNE PREDICTION THERMIQUE FINE SERA LIEE A UNE MODELISATION CORRECTE DE L'ASPECT TURBULENT DE L'ECOULEMENT. DANS LE CADRE DES APPLICATIONS DE TURBINES QUI NOUS INTERESSENT, UNE APPROCHE STATISTIQUE DE LA TURBULENCE EST UTILISEE. LES MODELES CINEMATIQUES IMPLANTES DANS LE CODE NAVIER-STOKES, TRIDIMENSIONNEL, STATIONNAIRE CANARI DE L'ONERA (SUPPORT NUMERIQUE DE NOTRE TRAVAIL) SONT DES MODELES A DEUX EQUATIONS DE TRANSPORT K - A BAS NOMBRE DE REYNOLDS. POUR TRAITER L'ASPECT THERMIQUE DE LA TURBULENCE, CES MODELES SONT ASSOCIES A UN MODELE A NOMBRE DE PRANDTL TURBULENT PR#T CONSTANT. CE MODELE IMPLIQUE UNE HYPOTHESE DE SIMILITUDE QUI CONDUIT A UNE PREDICTION THERMIQUE DIRECTEMENT DEDUITE DE LA PREDICTION CINEMATIQUE DE L'ECOULEMENT. OR, DE NOMBREUSES EXPERIENCES ET SIMULATIONS NUMERIQUES DIRECTES ONT MONTRE QUE LE SCALAIRE PR#T VARIE AU SEIN DE L'ECOULEMENT. AFIN DE NOUS AFFRANCHIR DE CETTE HYPOTHESE DE SIMILITUDE, UN MODELE DE TURBULENCE THERMIQUE PLUS SOPHISTIQUE, A DEUX EQUATIONS DE TRANSPORT, A ETE DEVELOPPE. DEUX QUANTITES TURBULENTES THERMIQUES : #2 (LA VARIANCE DE LA FLUCTUATION DE TEMPERATURE) ET # (LE TAUX DE DESTRUCTION DES FLUCTUATIONS THERMIQUES) SONT ALORS TRANPORTEES. L'IMPLANTATION D'UN TEL MODELE DANS LE CODE CANARI ET SA VALIDATION, TANT SUR DES CAS FONDAMENTAUX QUE SUR DES CONFIGURATIONS DE TURBINES, ONT ETE LES OBJECTIFS PRECIS DE CETTE THESE. NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE QUE LES MODELES K - ET #2 - # DOIVENT POSSEDER DES STRUCTURES TRES SEMBLABLES AFIN D'ASSURER LA STABILITE DU CALCUL. NOUS AVONS EGALEMENT MONTRE QUE LE MODELE #2 - # CONFERE UN CARACTERE PLUS UNIVERSEL QU'UN MODELE A NOMBRE DE PRANDTL TURBULENT CONSTANT. SUR LES CONFIGURATIONS FONDAMENTALES, NOUS AVONS REMARQUE UN APPORT SIGNIFICATIF DU MODELE #2 - # QUANT A LA QUALITE DE LA PREDICTION DES FLUX DE CHALEUR TURBULENTS. POUR LES CONFIGURATIONS COMPLEXES, NOUS AVONS NOTE UNE SENSIBILITE DU MODELE #2 - # A L'EVOLUTION DU GRADIENT DE PRESSION LONGITUDINAL.
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Les caractéristiques de l'écoulement turbulent et les transferts thermiques se développant dans un conduit chauffé sont étudiés à l'aide de la technique de Simulation des Grandes Echelles (SGE). Les canaux de refroidissement placés dans les parois des moteurs de fusée constituent l'une des applications industrielles. Nous considérons une géométrie simplifiée consistant en un conduit courbe de section rectangulaire. Les équations de Navier-Stokes instationnaires filtrées sont résolues par un schéma numérique compact, prédicteur-correcteur, d'ordre deux en temps et quatre en espace. Le modèle sous maille utilisé est celui de la fonction de structure sélective. Les résultats obtenus mettent en évidence le développement d'un écoulement secondaire intense lié au gradient de pression radial apparaissant dans la partie courbe. Ces flux secondaires s'organisent sous la forme de deux cellules contra-rotatives quasi-stationnaires de type Ekman près de la paroi convexe. Sur la paroi concave, il apparaît des tourbillons instationnaires de type Görtler. Cet écoulement complexe est caractérisé par des phénomènes de balayage et d'éjection directement corrélés aux transferts de chaleur entre le fluide et les parois courbes chauffées. Ceci provoque de fortes variations transverses du nombre de Nusselt qui pourraient conduire à une dégradation de la paroi chaude. Nous évaluons l'influence des paramètres géométriques et physiques sur l'écoulement ainsi que sur les transferts thermiques et nous proposons une solution pour homogénéiser les échanges de chaleur par contrôle passif.
Author: Nicolas Boyard Publisher: John Wiley & Sons ISBN: 1848217617 Category : Science Languages : en Pages : 464
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This book addresses general information, good practices and examples about thermo-physical properties, thermo-kinetic and thermo-mechanical couplings, instrumentation in thermal science, thermal optimization and infrared radiation.
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Earthen architecture constitutes one of the most diverse forms of cultural heritage and one of the most challenging to preserve. It dates from all periods and is found on all continents but is particularly prevalent in Africa, where it has been a building tradition for centuries. Sites range from ancestral cities in Mali to the palaces of Abomey in Benin, from monuments and mosques in Iran and Buddhist temples on the Silk Road to Spanish missions in California. This volume's sixty-four papers address such themes as earthen architecture in Mali, the conservation of living sites, local knowledge systems and intangible aspects, seismic and other natural forces, the conservation and management of archaeological sites, research advances, and training.
Author: Marcos Vinicius Bortolus
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