Modélisation hybride et multi-échelle pour la simulation des écoulements et des transferts thermiques dans les micro-canaux PDF Download
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Author: Van Huyen Vu Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
L'objectif de cette thèse est de mettre en œuvre une description multi-échelle adaptée aux écoulements de fluides dans des micro-/nano-conduites. Cette approche doit permettre de décrire, aussi bien les petites échelles relatives aux interactions du fluide avec les atomes du mur, que les grandes échelles de l'écoulement engendrées par les conditions aux limites d'entrée/sortie du canal. Pour cela, nous avons développé une méthode qui couple une modélisation continue des écoulements et des transferts de chaleur dans le cœur du canal avec une modélisation discrète proche des parois, basée sur une représentation atomistique du fluide et du mur.Les équations de Navier-Stokes et de l'énergie, couplées à une équation d'état, sont approximées par une méthode de volumes finis dans le cœur de l'écoulement alors que des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour représenter finement les interactions entre le fluide et la paroi. Cette approche hybride nécessite la transmission d'informations entre les modélisations : les grandeurs moyennées moléculaires sont imposées comme conditions aux limites pour le modèle continu, et la dynamique sous contrainte, couplée à un thermostat de Langevin, est utilisée pour piloter l'échelle moléculaire. Une représentation par des plots moléculaires locaux de petite taille, intelligemment répartis le long de l'interface entre le fluide et le mur, permet de traiter des écoulements et des transferts dans des canaux de très grands allongements, pour des coûts de calcul raisonnables.Après une partie de validation, des simulations hybrides multi-échelles d'écoulements dans des canaux constitués de parois en platine ont été menées pour de l'argon en phase liquide (incompressible) ou gazeuse (compressible), en tenant compte éventuellement du changement de phase au voisinage de la paroi.
Author: Van Huyen Vu Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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L'objectif de cette thèse est de mettre en œuvre une description multi-échelle adaptée aux écoulements de fluides dans des micro-/nano-conduites. Cette approche doit permettre de décrire, aussi bien les petites échelles relatives aux interactions du fluide avec les atomes du mur, que les grandes échelles de l'écoulement engendrées par les conditions aux limites d'entrée/sortie du canal. Pour cela, nous avons développé une méthode qui couple une modélisation continue des écoulements et des transferts de chaleur dans le cœur du canal avec une modélisation discrète proche des parois, basée sur une représentation atomistique du fluide et du mur.Les équations de Navier-Stokes et de l'énergie, couplées à une équation d'état, sont approximées par une méthode de volumes finis dans le cœur de l'écoulement alors que des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour représenter finement les interactions entre le fluide et la paroi. Cette approche hybride nécessite la transmission d'informations entre les modélisations : les grandeurs moyennées moléculaires sont imposées comme conditions aux limites pour le modèle continu, et la dynamique sous contrainte, couplée à un thermostat de Langevin, est utilisée pour piloter l'échelle moléculaire. Une représentation par des plots moléculaires locaux de petite taille, intelligemment répartis le long de l'interface entre le fluide et le mur, permet de traiter des écoulements et des transferts dans des canaux de très grands allongements, pour des coûts de calcul raisonnables.Après une partie de validation, des simulations hybrides multi-échelles d'écoulements dans des canaux constitués de parois en platine ont été menées pour de l'argon en phase liquide (incompressible) ou gazeuse (compressible), en tenant compte éventuellement du changement de phase au voisinage de la paroi.
Author: Benoît de Laage de Meux Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 291
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La simulation numérique d'écoulements turbulents dans les systèmes de refroi- dissement de joints de pompes hydrauliques demande à considérer des domaines de calcul très étendus et des temps d'intégration très longs. La modélisation hybride RANS/LES zo- nale pourrait permettre de reproduire, dans un temps de calcul acceptable industriellement, l'ensemble des phénomènes thermiques et dynamiques en présence. L'approche consiste à faire interagir une simulation des grandes échelles (LES), représentant finement les phé- nomènes instationnaires de la turbulence dans certaines régions critiques de l'écoulement, avec l'approche statistique (RANS), moins coûteuse numériquement et dont la mise en oeuvre dans le reste du domaine permet de rendre compte des variations globales imposées à l'écoulement (injection d'eau froide dans de l'eau chaude, rotation de l'arbre et de la roue, etc...). Dans cette optique, une étude détaillée des modélisations adaptées aux écoulements en rotation est réalisée, suivant les deux approches RANS et LES. De nombreux modèles de turbulence sont comparés sur un cas test de canal en rotation. Le couplage zonal aux faces de bord par la méthode des structures turbulentes synthétiques (SEM) est étudié et une méthode innovante de couplage volumique par force de rappel (Forçage Linéaire Ani- sotrope) sur une zone de recouvrement RANS/LES est proposée. Ces deux méthodes sont étendues pour la première fois à la thermique. Les simulations hybrides RANS/LES zonales présentées, sur des cas test de canal fixe, en rotation ou en convection forcée, montrent la faisabilité de telles modélisations pour des applications industrielles.
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En raison du développement croissant des MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), l'étude des écoulements de liquide ou de gaz et des transferts thermiques dans des conduites, chauffées ou non, dont le diamètre hydraulique est de l'ordre de quelques microns, a suscité un nombre considérable de travaux au cours des vingt dernières années. À cette échelle, le nombre de Knudsen peut être important (Kn>0,01), ce qui donne naissance à des phénomènes de glissement, de saut de température et de pompage thermique qui s'ajoutent aux effets de compressibilité, telles que la puissance due aux forces de pression et à la puissance des contraintes visqueuses et aux variations des propriétés du fluide avec la température. Dans les modélisations de la littérature, ces phénomènes sont rarement pris en compte simultanément et sont souvent partiellement négligés, sans justification. Notre démarche consiste à proposer une modélisation des micro-écoulements gazeux se rapprochant au mieux de la réalité en prenant en compte tous les phénomènes et à étudier les effets de chacun d'entre eux. L'étude est, en premier lieu, menée en utilisant un code commercial, résolvant les équations de conservation par la méthode des volumes finis et adapté par le biais de sous-programmes développés au cours de cette thèse. Des validations ont été effectuées pour des problèmes allant des plus simples (incompressibles, non glissants) aux plus complexes (compressibles, glissants). Cette étude a permis de mettre en évidence les problèmes liés à la modélisation quand les nombres de Péclet des écoulements sont inférieurs à l'unité (Pe
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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.
Author: Mina Targhi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 390
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CE MEMOIRE DECRIT LA MODELISATION ET LA SIMULATION DU COMPORTEMENT THERMIQUE ET DYNAMIQUE D'UN BAIN DE VERRE EN ECOULEMENT STATIONNAIRE DANS UN CANAL D'AMENEE DE VERRE. LA SIMULATION TRIDIMENSIONNELLE DU CANAL INCLINE ET DE SECTION RECTANGULAIRE, REPRESENTE LES ECHANGES THERMIQUES ENTRE LES PAROIS DU CONDUIT AVEC L'AMBIANTE ET LE BAIN DE VERRE, ELLE INCLUT EGALEMENT LES PHENOMENES DE TRANSFERT DE MASSE ET DE CHALEUR LIE A L'ECOULEMENT DE GAZ BRULES ET D'AIR DE REFROIDISSEMENT CIRCULANT ENTRE LA VOUTE DU CANAL ET LE VERRE FONDU. D'UN POINT DE VUE QUALITATIF, LES PROFILS DE TEMPERATURE OBTENUS DANS NOS MODELISATIONS SE COMPARENT AVANTAGEUSEMENT A CEUX ISSUS DES EXPERIMENTATIONS SUR SITE INDUSTRIEL. PAR AILLEURS, NOUS AVONS ETUDIE LES SENSIBILITES DES CHAMPS THERMIQUES AUX PHENOMENES DE RAYONNEMENT ET DE VISCOSITE THERMODEPENDANT OU NON. NOUS AVONS MONTRE QUE LA DEPENDANCE DE LA VISCOSITE A LA TEMPERATURE N'INFLUENCE PAS LE PROFIL DES VITESSES DANS UNE SECTION DE L'ECOULEMENT DU VERRE FONDU ET QUE LA PRISE EN COMPTE DES ECHANGES RADIATIFS PRODUISENT UNE REDUCTION DE L'ORDRE DE 70% DU GRADIENT THERMIQUE VERTICAL.
Author: Michel Ledoux Publisher: ISTE Group ISBN: 1784059218 Category : Science Languages : fr Pages : 198
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La thermique est une branche de la thermodynamique qui occupe, en raison de son implication dans le domaine de la pratique, une place particulière. Attachée à la gestion, transport et échange de l’énergie sous forme thermique, elle impacte en effet tous les aspects de la vie et l’activité humaine. Les transferts thermiques sont par nature classifiés en conduction, convection (qui insère la conduction dans la mécanique des fluides) et rayonnement. Transfert thermique 4 s’intéresse au problème des transferts convectifs particuliers avec une ouverture sur le transfert diphasique comportant deux aspects. Des notions sur les écoulements liquides à bulle et les écoulements dispersés (sprays) sont également données. Un domaine plus récent et beaucoup moins connu est présenté, celui du transfert à changement de phase. Une importance particulière est attachée à l’application numérique, permettant au lecteur de manier les ordres de grandeur, point important de toute physique.
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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 thèse présente une étude des écoulements de gaz dans un milieu poreux anisotherme constitué de pores de taille micrométrique en s'appuyant sur des simulations, à l'échelle des pores, des écoulements et des transferts de chaleur dans des Volumes Élémentaires Représentatifs. Lorsque la dimension des pores est très petite, contrairement à l'échelle macroscopique, il apparait un glissement hydrodynamique, un saut de température et saut de flux diffusif entre le fluide et la matrice poreuse. De plus, l'écoulement d'un gaz dans des systèmes de très faible taille engendre des effets de compressibilité et de dissipation visqueuse qui ne peuvent plus être négligés. Bien que de nombreux travaux de la littérature portent sur la modélisation et la simulation numérique des écoulements gazeux en milieux poreux, l'originalité du modèle numérique macroscopique qui a été élaboré au cours de cette thèse est de prendre en compte tous ces phénomènes physiques. Cela a permis de mener une étude paramétrique sur une large gamme des paramètres de ces écoulements (les nombres de Reynolds, Rek, Knudsen, Kn, Mach, Ma) et pour cinq géométries différentes de milieux poreux caractérisés par leur porosité, et perméabilité de Darcy, Kd. L'étude est, en premier lieu, menée pour des écoulements faiblement compressibles en utilisant les modèles de Darcy-Klinkenberg et Darcy-Forchheimer, avec et sans glissement. Le code de calcul développé au laboratoire est validé par des comparaisons avec des résultats de la littérature en utilisant ces deux modèles. Le terme correctif de Forchheimer ainsi que différents types de régimes inertiels ont été identifiés et comparés à d'autres travaux de la littérature. La suite du travail est consacrée aux écoulements compressibles, en particulier aux effets thermiques d'origine dynamique associés à ces écoulements (dissipation visqueuse et travail des forces de pression). Les résultats dynamiques et thermiques sont d'abord présentés en étudiant un milieu poreux constitué d'obstacles rectangulaires. Puis nous avons reproduit cette étude pour d'autres géométries rectangulaires et circulaires. Des études paramétriques sont effectuées en faisant varier les paramètres moteurs de l'écoulement (pression moyenne et différence de pression entrée/sortie), dans le but de couvrir des régimes où l'inertie, la compressibilité et la raréfaction entrent en jeux. Cela nous a permis d'élaborer des cartes, en fonction de ces paramètres, des diverses quantités physiques (températures, vitesses, termes de sources, perméabilité apparente...) et des nombres adimensionnels (Rek, Ma, Kn ...). Pour des grandes variations de pression, les puissances des forces visqueuses et de pression (effets d'origines purement dynamique) jouent un rôle non négligeable : on montre par exemple qu'elles peuvent engendrer des gradients de température moyenne de plus de 10000 K/m (écarts de température moyenne d'environ 3,2 K sur 240 μm de longueur du milieu poreux lorsque la différence de pression entrée/sortie est de 1,6 bar, pour une pression moyenne de 1,1 bar). Globalement, on montre que la température de la matrice solide du milieu poreux est souvent supérieure à celle du fluide, ce qui rend difficile l'utilisation de l'hypothèse de l'équilibre thermique local lors de la construction d'un modèle moyen macroscopique. On montre également que la perméabilité apparente estimée sur chaque VER peut rester constante, augmenter ou diminuer de l'entrée à la sortie d'un milieu poreux donné, en fonction du degré d'inertie et de raréfaction du milieu. On construit des corrélations de la perméabilité apparente pour chacune des géométrie étudiées puis des corrélations globales pour l'ensemble des milieux poreux étudiés. Ces corrélations sont basées sur une modélisation de type Darcy-Klinkenberg-Forchheimer de la perméabilité apparente en fonction des nombres adimensionnels de Rek, Ma, Kn, porosité et Kd.
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Nous tentons dans ce travail de contribuer à la compréhension des mécanismes complexes qui mènent à la turbulence, dans le cas d'un écoulement dans un canal périodique à parois ondulées. L'écoulement est supposé incompressible, bidimensionnel et périodiquement développé. Parallèlement nous étudions le transfert thermique convectif associé à l'écoulement dans ces différents régimes. Les conditions thermiques sont celles d'une densité de flux constante sur les parois. Les deux problèmes (thermique et dynamique) sont découplés moyennant certaines hypothèses, ils sont approchés numériquement par un schéma aux différences finies en espace et un schéma à pas fractionnaires en temps. Dans un premier temps, nous déterminons les conditions générales d'instabilité dynamique de l'écoulement en terme de nombre de Reynolds critique, fréquences et amplitudes des oscillations, et du nombre d'onde associé. Pour cela, nous analysons l'évolution temporelle de la vitesse en un point du canal, à différents nombres de Reynolds, pour des calculs faits sur une ou deux périodes géométriques. Nous analysons les différentes bifurcations de l'écoulement super-critique et comparons la dispersion des fréquences par rapport à la théorie d'Orr-Sommerfeld. Nous nous intéressons également à la perte de charge, instantanée et moyenne, comme étant une caractéristique dynamique essentielle pour toute étude comparative. Ensuite, nous montrons quelques résultats des champs de températures de l'écoulement stationnaire, et des nombres de Nusselt locaux et moyens. Nous nous intéressons ensuite, a l'évolution temporelle de la temperature et du nombre de Nusselt instantané pour des écoulements instationnaires. Notre intérêt porte aussi sur les valeurs moyennes, qui seront comparées à celles d'un canal plan soumis à un même débit masse ou une même puissance de pompage. Cette étude comparative nous permettra de déterminer les conditions sous lesquelles le canal ondulé est thermiquement ou mécaniquement plus efficace qu'un canal plan. Enfin, nous validons le modèle dynamique par des mesures expérimentales.
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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.
Author: Van Huyen Vu
Author: Van Huyen Vu
Author: Benoît de Laage de Meux
Author: Chahinez Tchekiken
Author: Sourou Gnambode
Author: Mina Targhi
Author: Michel Ledoux
Author: Marcos Vinicius Bortolus
Author: Samy Ramdane
Author: Abderrahmen Ellouze
Author: Jérôme Hébrard