Amélioration du transfert de chaleur et du mélange de fluides par advection chaotique dans une nouvelle géométrie de canal sinus-hélicoïdal

L'objectif de cette thèse de doctorat est de présenter un échangeur de chaleur/réacteur multifonctionnel sinusoïdal innovant qui améliore le mélange et le transfert de chaleur en se basant sur l'advection chaotique. Cette nouvelle géométrie est construite en combinant un canal sinusoïdal sur un canal hélicoïdal. La structure de l'écoulement, le mélange scalaire passif et le transfert de chaleur convectif dans le nouvel échangeur de chaleur sont analysés numériquement en utilisant la méthode des volumes finis implémentée dans OpenFOAM. Les résultats sont comparés à ceux obtenus avec un échangeur de chaleur classique à spirale hélicoïdale. L'écoulement laminaire est considéré dans la présente étude, avec des nombres de Reynolds allant de 100 à 1400 en fonction du diamètre hydraulique et de la vitesse moyenne d'écoulement. Les résultats numériques ont montré la nature chaotique de l'écoulement dans la géométrie sinusoïdale, où le changement périodique des forces centrifuges brise la symétrie de l'écoulement et conduit à des trajectoires chaotiques des particules. L'analyse lagrangienne des particules à l'intérieur du canal a confirmé l'effet de l'advection chaotique sur l'amélioration de l'efficacité du mélange. Le coefficient de variation de la température de sortie dans le flux sinusoïdal est diminué d'environ 100 % par rapport à celui du canal hélicoïdal, soulignant une meilleure homogénéité de la température à la sortie de l'échangeur de chaleur. De plus, le facteur d'amélioration thermique, qui mesure le coefficient de transfert de chaleur par convection pour une même puissancede pompage, augmente de 5, 5 à 20, 7 % dans l'écoulement sino-hélice par rapport au canal hélicoïdal. En complément de l'analyse numérique, une étude expérimentale thermique a été menée sur les échangeurs de chaleur hélicoïdaux et sino-hélicoïdaux chaotiques, sur une large gamme de nombres de Reynolds (Re = 100 − 10, 000), ayant tous deux la même surface de transfert de chaleur. Les résultats ont prouvé la supériorité de l'échangeur de chaleur chaotique par rapport à l'échangeur classique, en particulier aux faibles nombres de Reynolds. Par conséquent, le nouvel échangeur de chaleur proposé est très prometteur pour de nombreuses applications avec des régimes d'écoulement laminaire.