Etude numérique et expérimentale des transferts couplés de chaleur et de masse en convection mixte dans un canal

Abstract

Le présent travail consiste en une étude numérique et expérimentale des transferts couplés de chaleur et de masse en convection mixte thermosolutale avec changement de phase dans un canal incliné ou vertical. Le canal est formé de deux plaques planes parallèles, l’une est maintenue isotherme et mouillée par un film d’eau de faible épaisseur alors que l’autre est adiabatique et sèche. Un écoulement d’air humide laminaire ascendant circule dans le canal avec une température, une concentration constante et un profil de vitesse uniforme à l’entrée. Le modèle mathématique est basé sur les équations de Navier-Stokes ainsi que celles de conservation de l’énergie et de concentration en eau. L’approximation de Boussinesq est adoptée dans cette étude. La résolution du modèle mathématique est basée sur la méthode des volumes finis et le couplage vitesse-pression est traité par l’algorithme SIMPLER. Une validation expérimentale a été réalisée avec les résultats de la simulation numérique afin de nous assurer de la validité du code de calcul. Des essais expérimentaux ont été réalisés et présentés dans ce travail pour son application pratique. Les effets combinés des forces d’Archimède thermique et massique sur la convection mixte thermosolutale en écoulement laminaire ont été étudiés. Les résultats obtenus montrent que ces forces ont un effet important sur les transferts de chaleur et de masse ainsi que sur les champs hydrodynamique, thermique et massique. En effet, lorsque la température de la paroi humide est inférieure à celle de l’écoulement d’air chaud, la vapeur d’eau contenue dans l’air se condense sur cette paroi et les forces d’Archimède provoquent un renversement de l’écoulement près de celle-ci. Ces dernières induisent une cellule de recirculation de l’écoulement d’air. Dans le cas où le canal est chauffé, l’évaporation du film liquide a lieu. L’effet de l’angle d’inclinaison sur les transferts et sur les champs hydrodynamique, thermique et massique a été étudié dans un canal incliné. Les résultats obtenus montrent l’existence d’un renversement d’écoulement, près de la paroi adiabatique sèche, dépendant de l’angle d’inclinaison. Les conditions d’existence de ce dernier ont été présentées par des abaques et expressions analytiques qui donnent le nombre de Grashof thermique en fonction du nombre de Reynolds. Les résultats expérimentaux montrent que le débit d’eau évaporé augmente avec l’augmentation de la température et de la vitesse de soufflage de l’air à l’entrée du canal.