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Etude de l’influence des paramètres opératoires sur l’intensification du transfert de chaleur en présence d’ultrasons

  • Thèse R&D
  • Grenoble (38)
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LEGI

Thèmes :
Énergétique et thermohydraulique
Titre :
Étude de l’influence des paramètres opératoires sur l’intensification du transfert de chaleur en présence d’ultrasons.
Source de financement :
Bourse du Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche. Possibilité de compléter le salaire par des enseignements
Salaire de base :
1800€/mois (brut).
Dates :
Octobre 2017 – septembre 2020.
Lieu :
Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI)/Equipe Energétique/ Université Grenoble Alpes – Collaboration avec le Laboratoire Rhéologie et Procédés (LRP) et le CEA/LITEN
Encadrement :
Sébastien FERROUILLAT (LEGI), Nicolas GONDREXON (LRP, Directeur Thèse) et Alain MENPONTEIL (CEA)

Qualités du (de la) candidat(e) idéal(e) :
Connaissances en mécanique des fluides, en thermique et énergétique. Expérience PIV appréciée. Intérêt pour le travail expérimental et la compréhension des phénomènes physiques. Débrouillardise / autonomie en bricolage. Capacité à communiquer en français et en anglais (oral et écrit)

Description de la problématique de recherche :

L’intensification des procédés consiste à concevoir des procédés plus économiques, plus écologiques et plus compacts tout en visant à en améliorer la productivité, notamment par le développement d’appareils adaptés. La démarche proposée vise à étudier l’intensification du transfert de chaleur afin de mieux en comprendre les mécanismes et en optimiser les paramètres opératoires. L’objectif à terme est d’aboutir à la conception d’un nouveau type d’échangeur de chaleur ou d’échangeur-réacteur intégrant une technologie ultrasonore. Ce type de dispositif innovant devrait présenter des performances améliorées de transfert de chaleur et/ou de matière, de sensibilité à l’encrassement.

Objectif :

L’objectif de cette thèse est d’étudier les paramètres opératoires pouvant affecter l’intensification du transfert de chaleur à partir d’un dispositif expérimental existant, constitué d’une plaque chauffante plane et verticale en vis à vis de laquelle est disposé l’émetteur à ultrasons. L’espace existant entre ces deux dispositifs définit un canal au sein duquel circule le fluide de référence en convection forcée. On s’attachera dans ce contexte à mener à bien des essais pour différentes configurations de débit liquide et de largeur de canal pour un fluide donné. Une attention particulière sera également portée sur l’influence de la direction du champ ultrasonore par rapport au sens de l’écoulement du fluide (colinéarité ou orthogonalité) sur l’amélioration observée. Enfin, des essais seront réalisés afin d’appréhender la nature du fluide utilisé (viscosité en particulier).

Contexte :

Ce travail s’inscrit dans la continuité du travail de thèse d’Odin Bulliard-Sauret soutenue en juillet 2016 qui a permis d’illustrer avec ce dispositif, une intensification du transfert de chaleur. Celle-ci a été observée pour une géométrie imposée (émission d’ultrasons normale à l’écoulement avec entrefer maintenu constant) pour différentes fréquences d’ultrasons. L’étude thermique a permis de montrer une augmentation significative des coefficients locaux d’échange convectif induite par les trois fréquences ultrasonores testées : 25kHz, 1 et 2 MHz. L’étude hydrodynamique a quant à elle permis d’établir une relation étroite entre l’intensification du transfert thermique et les modifications de l’écoulement dues à la présence du champ ultrasonore et des effets qu’il peut induire. Ainsi, il s’avère qu’à basse fréquence, le coefficient d’échange en présence d’ultrasons est peu sensible à l’augmentation du débit. A très haute fréquence (2MHz), l’intensité des effets convectifs mis en évidence par PIV se traduit par un niveau d’intensification similaire et indépendante là encore du débit. La combinaison de l’effet des courants acoustiques et de la cavitation, obtenue avec une fréquence intermédiaire de 1 MHz, constitue la configuration pour laquelle l’intensification thermique est la plus marquée bien qu’elle s’atténue avec le débit de liquide. Si on fait référence à la vitesse RMS obtenue par PIV, grandeur qui traduit le niveau de turbulence au sein l’écoulement, il s’avère qu’à basse fréquence, c’est au niveau de la paroi chauffante que cette grandeur est la plus affectée par la présence des ultrasons. Ceci correspond donc à l’action locale de la cavitation ultrasonore sur la turbulence au niveau de la région pariétale. Ce mode d’action des ultrasons se retrouve dans l’utilisation d’ultrasons de moyenne fréquence (1MHz) pour lesquels l’effet des courants convectifs ne peut cependant pas être négligé. Ce second phénomène induit une modification sensible de l’hydrodynamique de l’écoulement (direction, turbulence) et selon son importance relativement à la vitesse débitante du fluide, engendre une intensification thermique plus ou moins sensible au débit. Les résultats obtenus ont permis d’illustrer les modes possibles d’action des ultrasons selon la fréquence utilisée. Il est désormais nécessaire de valider les hypothèses formulées à l’issue de ces travaux par des essais complémentaires qui seront donc menés au cours de cette thèse. On s’attachera en particulier à identifier l’action des ultrasons sur la couche limite et son établissement. Une étude à iso-Reynolds à partir de la variation du débit de fluide et de la grandeur géométrique caractéristique du système étudié sera tout particulièrement envisagée.

Méthode :
Les essais seront réalisés selon deux approches distinctes mais parfaitement complémentaires : une approche purement thermique, permettant d’accéder à des grandeurs caractéristiques du transfert de chaleur (coefficients locaux d’échange convectif) et une approche hydrodynamique par PIV qui permet d’établir le lien avec la turbulence observée au sein de l’écoulement. La comparaison, pour un contexte expérimental donné, sera systématisée entre conditions silencieuse et ultrasonore.

Résultats attendus :
Les principaux résultats attendus concernent une optimisation des paramètres opératoires pour une intensification maximale du transfert de chaleur d’une part et une meilleure compréhension des mécanismes d’action des ondes ultrasonores au niveau de la couche limite hydrodynamique et thermique. Les essais envisagés dans des conditions d’iso-Reynolds constituent un élément-clé du travail qui ne semble pas avoir été abordé à ce jour dans la littérature.

À propos de / du GRETh

GRETh
Le GRETh, fédère un collectif d'industriels dont l'activité est la fabrication d’échangeurs et d’équipements thermiques, les études d’ingénieries d’installations thermiques pour l’industrie et le bâtiment ainsi que l’exploitation de sites de production et de conversion d’énergie.

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