Ce travail expérimental concerne l'étude des écoulements d'air au sein de canaux ondulés représentant les surfaces ailettées d'échangeurs de chaleurs compacts aéronautiques. L'objectif de cette étude est de comprendre et d'analyser les mécanismes dynamiques et thermiques qui se développent au sein de ces géométries complexes. Une attention toute particulière a été portée sur la caractérisation des phénomènes de transferts aux parois. Les résultats montrent l'influence de paramètres géométriques adimensionnels sur l'organisation de l'écoulement interne : facteur d'écartement, facteur d'ondulation et déphasage. L'écoulement est le siège du développement de couches limites caractérisées par des points de décollement et de recollement successifs. Ces phénomènes sont à l'origine de forts gradients des frottements pariétaux en bonne corrélation avec les variations tout aussi importantes des échanges de chaleur locaux. Des lois empiriques sont proposées pour des forts nombres de Reynolds. L'analyse fine des résultats permet de proposer une géométrie optimale. Ces travaux montrent aussi que l'écoulement moyen et fluctuant est établi au-delà de la 4ème période d'ondulation. Le développement des structures turbulentes et le niveau de turbulence sont indépendants du taux de turbulence initial, mais dépendent étroitement des dimensions géométriques du canal ondulé et du régime d'écoulement interne.

ETUDE EXPERIMENTALE DE LA STRUCTURE TURBULENTE DANS UNE CAVITE A GEOMETRIE VARIABLE DE GRANDES DIMENSIONS PRESENTANT DEUX PAROIS VERTICALES OPPOSEES ISOTHERMES. LA MESURE DES VALEURS MOYENNES ET DE LEURS FLUCTUATIONS PERMET DE CARACTERISER LES CHAMPS DYNAMIQUE ET THERMIQUE. LA STRUCTURE TURBULENTE DE L'ECOULEMENT ETUDIE EST ANALYSEE A PARTIR DES PARAMETRES STATISTIQUES D'ORDRE N, DES SPECTRES D'ENERGIE. CETTE ETUDE EST COMPLETEE PAR LA DETERMINATION DES LOIS DE TRANSFERT DE CHALEUR. LES PHENOMENES OBSERVES S'AVERENT GENERALEMENT PLUS ACCENTUES LORSQUE LES DEUX COUCHES LIMITES DYNAMIQUES INTERFERENT. L'INFLUENCE DE L'INCLINAISON DE L'ENCEINTE SUR LES CARACTERISTIQUES TURBULENTES DE L'ECOULEMENT EST ABORDEE

L'essentiel de mon travail de recherche porte sur l'étude des instabilités thermoconvectives en convection mixte. Il comporte aussi bien des aspects expérimentaux que numériques.Dès qu'un fluide est chauffé, en présence ou non d'un écoulement forcé, des instabilités apparaissent en fonction des différents paramètres (thermiques, opératoires, géométrie,..). Pour ce qui est des dispositifs parcourus par un écoulement de convection mixte, la bibliographie est très riche concernant les écoulements de fluides tel que l'air mais reste limitée pour tout ce qui est écoulement d'eau et surtout dans les configurations avec une condition aux limites de flux imposé. Récemment, ces études ont suscité un intérêt pour les applications industrielles telles que la CVD et les échangeurs de chaleur en général et certains phénomènes naturels tels que la météo. Faisant suite à une série d'études d'écoulements de convection mixte, notamment en conduite cylindrique soumise à un flux uniforme à la paroi (coexistence de gradients thermiques horizontal et vertical), rectangulaire avec un gradient thermique horizontal et rectangulaire avec un gradient thermique vertical ; dans ce dernier cas, le rapport d'aspect considéré était égal à 2 ce qui a introduit des effets de bords non négligeables sur le développement des instabilités. L'objectif de mon travail était de comprendre le déclenchement des instabilités dans le cas du gradient thermique vertical sans subir les effets de bords. Ainsi, j'ai étudié l'écoulement de convection mixte dans un canal horizontal, à section rectangulaire, de grand rapport d'aspect transversal (B=10), chauffé uniformément par le bas à flux constant pour les paramètres de fonctionnement suivants : 20 ≤ Re ≤ 200, 0 ≤ Ra ≤ 106, Pr = 7. Les techniques de visualisation que j'ai mises en place m'ont permis de mettre en évidence l'existence de deux mécanismes d'initiation des rouleaux longitudinaux dans ce type de configuration. Pour les faibles valeurs du nombre de Rayleigh, les rouleaux sont initiés le long des parois latérales et se propagent progressivement jusqu'à envahir toute la section droite par un effet de cascade visqueuse. Au-delà d'une valeur critique du nombre de Rayleigh, de nombreuses paires de rouleaux apparaissent simultanément à une même abscisse, dans la zone centrale de la section droite, indépendamment du premier mécanisme grâce à une instabilité du type Rayleigh Bénard. Ces deux mécanismes d'initiation ont été observés expérimentalement et numériquement. La condition de flux imposé à la paroi basse fait que l'établissement thermique n'est jamais atteint ; nous assistons dans ce cas à une évolution longitudinale du régime d'écoulement qui peut s'étaler le long du canal. Ainsi, j'ai mis en évidence quatre zones d'écoulement : une zone I d'entrée ou de formation des rouleaux ; une zone II établie où les rouleaux longitudinaux ont envahi toute la section droite, ces rouleaux sont stationnaires ; une zone III correspondant au régime déstabilisé où les rouleaux adoptent un comportement chaotique et enfin la zone IV qui correspond au régime turbulent, les rouleaux ne sont plus identifiables. J'ai déterminé en fonction des paramètres de contrôle les longueurs caractéristiques pour les différentes zones et proposé des corrélations permettant de les calculer en fonction des nombres de Reynolds et de Rayleigh. Pour l'analyse thermique de ce type d'écoulement, j'ai développé et exploité une technique de fluorescence induite par plan laser (PLIF) pour déterminer le champ thermique dans les différentes sections transversales du canal pour les différentes gammes des paramètres. Cette caractérisation a également été effectuée numériquement. Les champs de température obtenus dans les différentes sections droites fluide ont permis la détermination du transfert de chaleur, notamment le nombre de Nusselt. J'ai déterminé le nombre de Nusselt à la paroi chauffée, moyenné dans la direction transversale Y et représenté sa variation selon la direction longitudinale X pour diverses valeurs du nombre de Rayleigh et de Reynolds. On retrouve la signature des deux mécanismes d'initiation au travers du profil longitudinal du nombre de Nusselt. On peut observer que le transfert convectif est fortement accru en convection mixte par rapport à la convection forcée pure, d'un rapport de 5 à 10 selon les valeurs des nombres de Reynolds et de Rayleigh. L'ensemble des résultats expérimentaux que j'ai obtenus ont permis, en fonction des nombres de Reynolds et de Rayleigh, l'établissement de corrélations du nombre de Nusselt, valables en convection mixte pour ce type d'écoulement. Ces corrélations ont été établies pour le régime d'entrée et le régime établi. La PLIF semble être une technique performante pour la mesure de la température du fluide. L'ensemble de ces résultats ont été rédigés en deux articles et ont été soumis pour publication.

La connaissance des mécanismes turbulents au sein des canaux ondulés est à ce jour encore limitée malgré les travaux réalisés dans la dernière décennie, d'une part, à cause de la complexité des facteurs géométriques et des faibles dimensions qui rendent des expérimentations difficiles, et d'autre part, le comportement de l'écoulement turbulent est assez mal connu dans des géométries confinées. Ce travail de thèse s'intéresse au rôle joué par la turbulence au sein du canal ondulé et à son influence sur le transfert de la chaleur. Pour cela, l'écoulement dynamique est caractérisé finement à travers les champs moyens et les moments d’ordre deux grâce aux mesures par PIV (rapide et standard) et aux simulations des grandes échelles (LES). La quantification du transfert de chaleur est obtenue par thermométrie par thermocouples fins pariétaux tandis que les champs de température sont décrits par LES. L'ondulation induit le comportement moyen de l'écoulement. En effet, les composantes longitudinale et transversale sont périodiques, tandis que la composante verticale est liée au confinement. En régime établi, l'écoulement présente des zones spécifiques : une couche de cisaillement est générée en aval du sommet, et s'accompagne de fortes fluctuations longitudinale et transversale corrélées; le développement de cette couche s'opère dans la partie concave de l’ondulation (appelée le creux) ; puis elle vient impacter en aval du creux où se manifeste une augmentation significative des fluctuations verticales. L'analyse du bilan d'énergie cinétique turbulente a mis en évidence un comportement complexe : la production est liée à la couche de cisaillement, la dissipation s'effectue dans le creux, mais une partie d'énergie est convectée ou diffusée vers la paroi et vers l'écoulement central. Bien que les fluctuations thermiques les plus importantes soient localisées dans la couche de cisaillement, le transfert de chaleur maximum se manifeste dans la zone d’impact. Pour compléter l'étude, des travaux expérimentaux et numériques ont été menés pour différents écartements entre parois, et différentes amplitudes d'ondulation. Ces résultats ont permis de mieux appréhender le rôle de ces paramètres et de quantifier leur influence sur le comportement dynamique et sur le transfert thermique : l'augmentation de l'intensité de turbulence et du transfert de chaleur est obtenue avec un écartement plus grand ou une amplitude plus forte. Ces résultats sont essentiels pour optimiser les performances des intercalaires ondulés dans les échangeurs de chaleurs compacts.

Le développement du transfert de chaleur ainsi que celui de l'écoulement bidimensionnel incompressible d'un fluide visqueux, autour d'un cylindre mis brusquement en mouvement rectilinéaire sont étudiés numériquement pour une large gamme de nombre de reynolds (re = 1 a 9500). Nous avons entamé cette étude dans le but de voir si une déformation radiale contrôlée du diamètre du cylindre pouvait nous permettre de contrôler le sillage, puis de mettre en place un outil qui pourra, par la suite, simuler la dynamique des bulles. Pour la résolution numérique on utilise, pour l'équation de transport de la vorticite et pour l'équation de l'énergie, une méthode de différences finies d'ordre deux dans les deux directions du domaine de calcul. L’équation de poisson pour les lignes de courants est résolue par une méthode s.o.r. L'avancée dans le temps se fera à l'aide de la méthode adams-bashforth pour des nombres de reynolds inférieurs ou égaux à 3000. Pour des nombres de reynolds supérieurs a 3000, nous utiliserons la méthode de runge-kutta d'ordre quatre. Nous avons d'abord reconfirmé tous les résultats précédemment trouvés par des simulations expérimentales et numériques dans le cas d'un cylindre indéformable. Puis nous nous sommes intéressés à l'influence de la déformabilité du cylindre sur la structure de l'écoulement, sur l'échange thermique et sur la trainée. Une augmentation du diamètre crée une force de propulsion qui diminue l'effet de la force de trainée, tandis qu'une diminution du diamètre aspire les tourbillons primaire et secondaire vers le cylindre réduisant ainsi le sillage et donc la trainée. Nous montrons également qu'un accroissement du diamètre rend l'échange de chaleur entre le fluide et la paroi plus homogène à l'arrière du cylindre.

La climatisation automobile est un enjeu majeur pour les constructeurs automobiles dans la mesure où elle occasionne un rejet de 10 g de CO2 par km, une surconsommation énergétique de près de 5 % et sera pris en compte dans le bilan MEVG à l'horizon 2020. Dans cette perspective, le constructeur automobile PSA Peugeot Citroën a développé un nouveau procédé : la climatisation par absorption de vapeur d'eau par une solution saline de bromure de lithium, qui marque la rupture avec le système classique à compression de vapeur. Le travail mené dans ce manuscrit s'est focalisé au niveau de l'organe principal du système, l'évaporateur/absorbeur où les deux fluides s'écoulent et sont confinés chacun entre deux grilles tissées par des effets capillaires. Les transferts de masse et de chaleur qui s'y produisent, ont lieu à l'interface liquide/vapeur formée par des ménisques de forme complexe qui constituent la surface de d'échange. L'objectif est d'intensifier les transferts de masse et de chaleur qui diffuse à travers l'interface. Un banc expérimental permettant la description tridimensionnelle de la forme des ménisques au moyen de la microscopie confocale a été développé. Le modèle « volume of fluid » a été utilisé pour la reconstruction numérique de l'interface liquide/ vapeur. La comparaison entre les données expérimentales et les simulations numériques a montré un bon accord. Ces simulations montrent que l'écoulement est influencé par la grille avec la création de zones mortes et des mouvements de vorticité. Une optimisation numérique a été menée avec comme fonction objectif le flux qui diffuse à travers l'interface. Celle-ci a permis de définir des paramètres optimales de la grille permettant d'atteindre un flux de chaleur de près de 2,5 fois supérieur à celui du cas de référence. Cette optimisation a permis l'identification d'une zone préférentielle dans laquelle les transferts de chaleur sont maxima. Le travail a aussi abordé l'influence de la forme des fils et de la forme des ménisques, montrant qu'il est préférable d'adopter des matériaux à caractère hydrophobe avec des fils à section circulaire.

NOUS PRESENTONS UNE ETUDE DE TRANSFERT DE CHALEUR OU DU COEFFICIENT DE TRANSFERT "SOLIDE-FLUIDE", EN REGIME INSTATIONNAIRE, DANS UN CONDUIT PARCOURU PAR UN ECOULEMENT LAMINAIRE OU TURBULENT, LA FACE EXTERNE DE LA PAROI ETANT SOUMISE A UNE CONDITION DE FLUX "GENERALISEE". ON PROPOSE ALORS UNE APPROCHE ANALYTIQUE POUR L'ETUDE DE L'ASPECT SYSTEME D'UN ECHANGEUR AINSI QU'UNE ETUDE NUMERIQUE PAR DIFFERENCES FINIES RELATIVE AU TRANSFERT LOCAL DE LA CHALEUR EN REGIME INSTATIONNAIRE. LE TRAVAIL EXPERIMENTAL REPOSE SUR LA MISE EN OEUVRE D'UNE PROCEDURE DE DETERMINATION DU COEFFICIENT DE TRANSFERT PAROI-FLUIDE ET DE SES VARIATIONS SPATIO-TEMPORELLES PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE