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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE YAHIA FARES DE MEDEA Faculté de Technologie Mémoire de fin d’études de Master Filière : Génie Mécanique Spécialité : Energétique Etude numérique d’un problème conjugué d’un nanofluide caloporteur dans un échangeur à plaque Présenté par KHEN Seddiq MEDJEBER Mohamed Proposé et Dirigé par Dr. ZIRARI Mounir Promotion 2019 Dédicace Je dédie ce modeste travail A mon cher père et ma chère mère pour l’éducation et le grand amour dont ils m’ont entouré depuis ma naissance. A mon cher frère et chères sœurs. A toutes les familles KHEN, et ainsi que tous proches. A tous mes amis de l’université de Médéa. Surtouts spécialité génie mécaniques Seddiq Dédicace Je dédie ce modeste travail A mon cher père et ma chère mère pour l’éducation et le grand amour dont ils m’ont entouré depuis ma naissance. A mes chers frères et chères sœurs. A toutes les familles MEDJEBER, et ainsi que tous proches. A tous mes amis de l’université de Médéa. Surtouts spécialité génie mécaniques Mohamed Nous remercions « Allah » de nous avoir permis et aider à accomplir ce travail en nous l’atteinte de notre objectif et arriver à notre but. Nous tenons à remercier particulièrement monsieur ZIRARI MOUNIR, notre promoteur pour ses conseils, son assistance, son suivi et son soutient pour mener à tenir nos différents travaux de notre travaille. Nous témoignons de notre gratitude à l’ensemble des enseignants de l’université Dr. YAHIA -FARES de Médéa, et en particulièrement les enseignants du département de génie de la matière Merci à tous ceux qui, à un monument ou un autre, nous ont apporté leur savoir faire Tous nos remercions vont à messieurs les membres du jury qui nous ont honoré par leur présence et leur sens du devoir. Table des matière Introduction Générale ................................................................................................................................... 1 CHAPITRE I : GENERALITES SUR L’ECHANGEUR DE CHALEUR ....................................................................... 2 Introduction ................................................................................................................................................... 2 I. Généralité sur les échangeurs .................................................................................................................... 2 I.1 Echangeur de chaleur ............................................................................................................................... 2 I.1.1 Définition .......................................................................................................................................... 2 I.1.2 Principe de fonctionnement des échangeurs ................................................................................... 3 I.1.3 Classification ..................................................................................................................................... 3 I.1.4 Différents types d'échange ............................................................................................................... 4 1-Échange sans changement de phase ..................................................................................................... 4 2-Échange avec changement de phase..................................................................................................... 4 I.1.5 Matériaux applicables aux échangeurs de chaleur ........................................................................... 5 I.1.6 Aspects structurels dans la conception des échangeurs .................................................................. 5 2-Échangeurs à passes .............................................................................................................................. 5 I.1.7 Synthèse des échangeurs.................................................................................................................. 7 I.1.8 Echangeurs à plaques ...................................................................................................................... 7 I.1.8.1 Utilisation des échangeurs à plaques ............................................................................................ 9 I.1.8.2 Comparaison entre un échangeur à plaques et un échangeur tubulaire : .................................... 9 I.1.9 Technologie usuelle des échangeurs de chaleur (voire annexe 01) .............................................. 10 I.2. NANOFLUIDE ......................................................................................................................................... 11 I .2.1. INTRODUCTION ................................................................................................................................. 11 I.2. 2.Définition de nanofluide ................................................................................................................ 11 I.2.3. Types de nanofluides ..................................................................................................................... 11 I.2.3.1. Nanofluides à base de nanotubes de carbone ........................................................................... 13 I.2.3.2. Nanofluides à base de nanoparticules ........................................................................................ 13 I .2.4.Préparation des nanofluides .......................................................................................................... 14 I.2.4.1.Procédé en une étape (one-step method) [18] ........................................................................... 14 I.2.4.2. Procédé en deux étapes (two-stemethod) [18] .......................................................................... 14 I.2.5. Applications de nanofluides[19] .................................................................................................... 14 I.2.6. Avantage de nanofluides[19] ......................................................................................................... 15 I.2.7. Inconvénients du nanofluides[19] ................................................................................................. 15 Conclusion ................................................................................................................................................... 16 CHAPITRE II : formulation mathématique ................................................................................................. 17 Introduction ................................................................................................................................................. 17 II.1 Formulation d’un problème de transfert de chaleur ............................................................................. 17 II.1.1 Différents modes de transfert thermique ..................................................................................... 17 II.1.1.1 Conduction .................................................................................................................................. 18 II.1.1.2 Convection .................................................................................................................................. 18 II.1.1.2.1 Convection libre ou naturelle .................................................................................................. 18 II.1.1.2.2 Convection forcée .................................................................................................................... 18 II.1.2 Equation d’énergie ......................................................................................................................... 20 II.1.2.1Transferts de chaleur en écoulements incompressibles ............................................................. 21 II.1.3 Condition aux limites ..................................................................................................................... 21 II.2 Modélisation de l’écoulement des fluides ............................................................................................. 22 II.2.1 Equation de continuité(ou équation de bilan de masse) ............................................................... 22 II.2.2 Equation de Navier-Stocks ............................................................................................................. 22 II.2.3 Equation d’énergie pour le fluide incompressible ......................................................................... 23 II.2.4 Modélisation de la turbulence ....................................................................................................... 23 II.2.4.1 Décomposition de Reynolds ....................................................................................................... 24 II.2.4.2 Equations des mouvements moyennes ..................................................................................... 25 II.2.4.2.1Equation de continuité des mouvements moyens ................................................................... 25 II.2.4.2.2Équation de Navier-Stocks moyenne ........................................................................................ 25 II.2.5 Problème de fermeture des équations .......................................................................................... 26 II.2.5.1 Quelques hypothèses classiques de la fermeture de turbulence ............................................... 27 II.2.5.1.1Hypothèse de CHOU ................................................................................................................. 27 II.2.5.1.2Hypothèse de viscosité turbulente de BOUSSINESQ ................................................................ 27 II.2.51.3 Hypothèse de longueur de mélange de Prandtl ....................................................................... 27 II.3 Modèles de turbulence et leurs classifications ...................................................................................... 28 II.3.1 Modèles à viscosité turbulence algébrique (modèle à zéro équation detransports ..................... 28 II.3.2 Modèles à une équation de transport ........................................................................................... 28 II.3.3 Model (K- )et RNG (model à deux équation de transport) ......................................................... 28 II.3 Nombre du Reynolds et Coefficient de pression Cp ................................................................................ 31 II.3.1 Nombre du Reynolds ..................................................................................................................... 31 II.3.2 Coefficient de pression .................................................................................................................. 32 Conclusion ................................................................................................................................................... 32 Chapitre III : méthodes de discrétisation .................................................................................................. 33 Introduction ................................................................................................................................................. 33 III.1 Calcul numérique (modélisation et simulation).................................................................................... 33 III.2 Méthodes principales de discrétisation : .............................................................................................. 34 III.2.1 Méthode des différences finies .................................................................................................... 35 III.2.2 Méthode des volumes finis ........................................................................................................... 35 III.2.3 Méthode des éléments finis (MEF) ............................................................................................... 36 III.2.3.1 Présentation de la méthode ...................................................................................................... 37 III.1.3.2 Mise en œuvre de la méthode des éléments finis ..................................................................... 38 III.1.3.2. 1 Formulation vibrationnelle forte ........................................................................................... 38 III.1.3.2.2 Formulation vibrationnelle faible ........................................................................................... 38 III.1.3.3 Forme générale des équations du système ............................................................................... 39 III.3Maillage ................................................................................................................................................ 39 III.3.1 Choix de maillage .......................................................................................................................... 39 III.3.2 Maillages les plus utilisent pour les éléments finis ...................................................................... 40 III.3.3 Discrétisation ................................................................................................................................ 40 III.3.3.1 Terme temporelle ...................................................................................................................... 40 III.3.3.2 Terme d'advection ..................................................................................................................... 41 III.3.3.2.1 Monotone Stream line Upwind Approach (MSU) ................................................................... 41 III.3.3.2.2 Méthode SUPG (Stream line Upwind/Petro-Galerkin) ........................................................... 43 III.3.3.2.3 Approche Colloquée De Galerkin (COLG) ............................................................................... 43 III.3.3.3 Terme de Diffusion .................................................................................................................... 44 III.3.3.4 Termes source ........................................................................................................................... 44 III.4 Discrétisation de l’équation de chaleur par élément fini ...................................................................... 45 III.4.1 Bilan Thermique (Equation De Chaleur) ....................................................................................... 45 III.4.2 Forme discrétisée (éléments finis) ................................................................................................ 45 III.4.2.1 Représentation élémentaire (ou locale) du champ de températures instationnaire ................ 46 III.4.2.2 Représentation globale du champ de températures instationnaire ......................................... 46 III.4.2.3 Représentation globale du champ de températures stationnaire ............................................ 47 III.4.3 Discrétisation de la forme intégrale faible.................................................................................... 53 III .5 Méthodes de résolution ....................................................................................................................... 53 III.5.1 Méthodes de résolution directes .................................................................................................. 53 III.5.1.1 Méthode de résolution de Gauss-Seidel .................................................................................... 54 III.5.1.1.1Méthode itérative de Gauss-Seidel ......................................................................................... 54 III.5.1.2 Algorithme TDMA ...................................................................................................................... 55 Conclusion ................................................................................................................................................... 57 Chapitre IV : résultats et discutions .......................................................................................................... 58 IV.1 Présentation d’ANSYS (APDL) ............................................................................................................... 58 IV.2 Identification ........................................................................................................................................ 58 IV.2.1 Démentions de l’échangeur à plaque simulé au programme ANSYS [02] ......................................... 59 IV-2-2 Propriétés : [02] ......................................................................................................................... 59 IV.2.3 Etapes du travail sur ANSYS ...................................................................................................... 59 1/- Géométrie : ....................................................................................................................................... 59 a)-Créer les points : ................................................................................................................................. 59 b)-Créer les lignes entre les points ......................................................................................................... 59 c)-Créer la surface entre les lignes .......................................................................................................... 60 d)- Maillage ............................................................................................................................................. 60 e)- Conditions aux limites ....................................................................................................................... 61 IV.3 Résultats dans un milieu fluide ............................................................................................................ 62 IV.3.1 Profil de température ....................................................................................................................... 62 Conclusion ................................................................................................................................................... 64 Conclusion générale .................................................................................................................................... 65 Liste des figures Figure(I.1) : Schéma de principe d’un échangeur de chaleur[4] .................................................................... 3 Figure(I.2) :Échangeur à tube en spirale (m : module). ................................................................................. 6 Figure(I.3) : Échangeur P-N P=2, N=4 (d’après A.Bouvenot) ............................................................... 6 Figure (I.4): Principe de fonctionnement d’un échangeur à plaques ............................................................. 7 Fig. I.6 : Principales familles des nanofluides [14] ....................................................................................... 12 Fig. I.7: Nanofluides vue au microscope électronique : éthylène glycol+cuiv0.5%; eau + nanotube ; eau + 12 Fig. I.8 : Structures moléculaires d’un nanotube de carbone à paroi simple (à gauche) et d’un nanotube de carbone à parois multiples (à droite). [14] .................................................................................................. 13 Figure(II.1) : Trois modes de transfert thermique ....................................................................................... 17 Figure(II.2): Schématisation du développement d’une couche limite dynamique sur une Plaque plane .... 19 Figure (II.3) : Fluctuation d’une grandeur autour d’une valeur moyenne. .................................................. 24 Figure(III.1) : Principe de calcul numérique ................................................................................................. 34 Figure(III.2) : Maillages structure et nonstructure. ..................................................................................... 39 Figure (III.3) :Approche de ligne de courant d’upwind ................................................................................ 41 Figure (III.4): bilan thermique...................................................................................................................... 45 Figure (III.5): Domaine plan discrétisé en 12 élément relies eux par 15 nœuds. ......................................... 46 Figure (III. 6) : élément unidimensionnel à deux nœuds ............................................................................. 47 Figure(III.7) :Elément triangulaire ............................................................................................................... 49 Fig VI. 1 maillage d’un échangeur à plaque ................................................................................................ 60 Fig.IV.2 Profil de température en les 4 positions (échangeur a plaques) .................................................... 62 fig IV.3 Température avec fluide eau .......................................................................................................... 62 fig IV.4 Température avec le nano CuO ....................................................................................................... 62 Fig IV.5 Température avec le fluide Al2O3 ................................................................................................... 63 Fig IV.6 Représentation de température radial ........................................................................................... 63 Fig IV.7 Présentation de température axiale ............................................................................................... 64 Figure (I.5) Différent types des échangeurs [10]. ........................................................................................ 75 Liste des tableaux Tableau (I.1) : Comparaison entre un échangeur à plaques et un échangeur tubulaire [9] ........................ 10 Tableau (II.1): Exemples de coefficient de convection ................................................................................. 19 Tableau(II.2): Trois nombre adimensionnels ............................................................................................... 20 Tableau(II.3):constantes du modèle k- ε ..................................................................................................... 30 Tableau(II.4): Constantes du modèle RNG ont pour valeur ......................................................................... 31 Tableau (IV-01) : Géométrie de l’échangeur de chaleur à plaque. .............................................................. 59 Tableau(IV- 02) : Propriétés du fluide et matériau d’échangeur de chaleur. .............................................. 59 Nomenclatures Notation Signification Unité , , , , p e s n w A A A A A Coefficients dans le uploads/Finance/ l-x27-effet-du-champ-magnetique-sur-l-x27-atomisation-d-x27-un-jet-liquide-injecte-dans-un-cylindre-application-a-un-moteur-diesel.pdf