Étude des échanges de chaleur sous un écoulement pulsé : application à des machines thermiques

Dans le but d’optimiser la production d’énergie des moteurs à combustion interne et externe, une meilleure compréhension des écoulements pulsés est nécessaire. Or, ceux-ci sont fortement dépendants des transferts thermiques au sein des échangeurs de chaleur. Ces échangeurs sont de type tubulaire pour les moteurs à combustion externe et de type à ailettes comme le refroidisseur d’air de suralimentation pour les moteurs à combustion interne. Malgré différentes études effectuées pour ce type d’écoulement, les résultats ne concordent pas. En l’état actuel, il est impossible de définir les conséquences d’un écoulement pulsé sur les échanges de chaleur pour différentes géométries d’échangeur. L’objectif de cette thèse est d’avoir une meilleure compréhension des échanges de chaleur convectifs sous un écoulement pulsé et de pouvoir prédire une fréquence améliorant les transferts thermiques. La première partie de ce travail a été la conception et la mise en place de bancs d’essais permettant l’étude d’un écoulement pulsé proche de celui d’un moteur à combustion interne. L’étape suivante fut l’installation d’une instrumentation et le développement de procédures d’essais permettant de suivre l’évolution des échanges de chaleur convectifs pour deux géométries d’échangeur différentes. De nombreuses campagnes d’essais ont été réalisées pour caractériser l’impact de la fréquence sur le transfert de chaleur convectif pour différentes valeurs de débit et de température. Les deux régimes d’écoulements ont été investigués : le régime turbulent dans une configuration d’échangeur tubulaire (Re≈17000) et le régime laminaire dans un refroidisseur d’air de suralimentation (Re≈400). Les résultats expérimentaux ont été analysés par une approche analytique 1D qui a permis de mettre en évidence des phénomènes de résonance du fluide dans un tube. A la fréquence de résonance du fluide, une nette augmentation des échanges de chaleur est visible. Avec cette étude il est ainsi possible de définir une fréquence optimale en connaissant la géométrie de l’installation et les propriétés du fluide mis en jeu.