Analyse des mécanismes d’intensification du mélange et des transferts thermiques par combinaison de méthodes passives dans des écoulements internes tubulaires : application aux réacteurs chimiques continus et aux capteurs solaires

L’efficacité énergétique des composants et systèmes thermiques, l’amélioration et le développement de nouvelles technologies sont des enjeux majeurs aujourd’hui. Dans ce contexte général, les travaux de cette thèse s’inscrivent dans une perspective d’amélioration des performances thermiques et de mélange d’échangeurs-réacteurs multifonctionnels qui, plus que jamais, sont des composants clés. Pour atteindre cet objectif, une technique d'intensification passive a été explorée. Elle implique l'application de deux types de macro-déformations pariétales sur les parois d'un tube annulaire en écoulement laminaire. L’étude s’est tout d'abord concentrée sur la caractérisation des écoulements secondaires créés par chacune des déformations appliquées séparément sur l’intensification des transferts. Ensuite, une combinaison de déformations radiales successives et alternées sur la paroi externe, associées à une géométrie engendrant un mouvement de swirl sur la paroi interne a permis d'augmenter significativement le mélange, grâce à l'apparition d'advection chaotique dans l'écoulement. La compréhension des mécanismes physiques mis en jeux s’est appuyée sur une analyse numérique des champs locaux thermiques et hydrauliques, sur l’identification des structures tourbillonnaires, sur les sections de Poincaré, ainsi que sur la détermination des performances thermo-hydrauliques et de mélange au niveau global et local. Une évaluation expérimentale du comportement hydraulique a été aussi effectuée par le biais de la méthode de distribution des temps de séjour, ce qui a permis de valider en partie le modèle numérique choisi dans cette étude. Enfin, la dernière partie de l'étude a été consacrée à l'application des concepts d'intensification étudiés au cas d'un capteur solaire thermique à concentration.