Modélisation d'écoulements avec transfert de chaleur dans un canal partiellement obstrué par la méthode de Boltzmann sur un réseau

Abstract

Depuis plusieurs années, l’étude de la dynamique des fluides et des transferts thermiques des écoulements dans les conduites avec ou sans obstacles a constitué un sujet de recherche qui a suscité beaucoup d’intérêt dans la communauté scientifique. Ceci est dû au fait que le développement rapide des applications pratiques, qui a mené à la miniaturisation et à la condensation des dispositifs comme les microsystèmes, les échangeurs de chaleur compacts, les appareils de refroidissement des systèmes électroniques, les capteurs solaires et les équipements de traitement chimique, etc., tient compte de l’augmentation de la résistance thermique due à la réduction de la dissipation de chaleur, et par conséquent, de la génération de la chaleur excessive. L’essor croissant pris par les moyens de calculs et les méthodes numériques permettent actuellement d’aborder la simulation ou la modélisation numérique de nombreux problèmes en dynamique des fluides et des transferts de chaleur, en général en situation de convection dominante. L’utilisation des méthodes numériques dans le domaine du calcul de structure et de la mécanique des fluides permet aux ingénieurs d’évaluer de multiples scénarios, d’explorer de nouveaux concepts, et de comprendre plus finement le comportement de leur création, d’autant plus qu’il est évident que les tests expérimentaux utilisant des prototypes sont coûteux à réaliser. Dans ce mémoire de thèse, nous proposons une étude numérique bidimensionnelle de l’écoulement et du transfert de chaleur, dans un canal plan horizontal, contenant des obstacles. Cinq cas de configurations ont été étudiés : (a) l’obstacle est de forme carré incliné, (b) deux obstacles de forme carrée insérés dans le canal, (c) trois obstacles de forme carré insérés dans le canal, (d) deux obstacles montés sur la paroi supérieur et un sur la paroi inférieur du canal € contrôle d’écoulement par la présence d’une partition et par une bi-partition. Le fluide caloporteur considéré dans cette étude est l’air (nombre de Prandtl Pr = 0.71). Ses propriétés physiques, à part sa densité, sont supposées constantes. L’écoulement est supposé laminaire, bidimensionnelle et incompressible. Un couplage entre la méthode de Boltzmann sur réseau avec temps de relaxation multiples et la méthode des différences finies est utilisé comme schéma numérique pour déterminer les champs de vitesse et de température. Le choix de ce couplage numérique est dicté par ses avantages au niveau de la simplicité de programmation et du gain en temps de calcul. Après validation de l’outil numérique à l’aide des résultats disponibles dans la littérature, il a été utilisé pour étudier l’influence de certains paramètres tels que le nombre de Reynolds (Re), la largeur, la hauteur des obstacles et l’espacement entre ces obstacles sur l’écoulement d’air et le transfert de chaleur à l’intérieur du canal. L’étude des effets des paramètres choisis dans les différentes configurations reflète leurs importances dans des applications industrielles variées. Les résultats sont présentés en termes de lignes de courant, d’isothermes, des nombres de Nusselt moyen et local, de nombre de Strouhal et des coefficients de traînée et de portance.