Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

République Tunisienne Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche

République Tunisienne Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université de Tunis El Manar Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis DEPARTEMENT GENIE CIVIL Projet de fin d’année II Optimisation par simulation numérique de l’efficacité d'un échangeur thermique Présenté par Alaeddine BAHRI Oussema AROUS Classe 2AGHE Soutenu le 09/05/2018 Devant le Jury : Président : M. Ridha ZGOLLI Rapporteur : M. Jamel CHAHED Encadrant ENIT : M. M. Ghazi BELLAKHAL Hatem KANFOUDI Année Universitaire : 2017/2018 1 Remerciements A l’occasion de la réalisation du projet de fin d’année 2, nous voulons exprimer notre reconnaissance à toute l’équipe pédagogique de l’école nationale d'ingénieurs de Tunis (ENIT) et les intervenants professionnels responsables de la formation en génie Hydraulique et Environnement. Nous profitons de l’occasion pour exprimer nos plus vifs remerciements à M. Ghazi BELLAKHAL de nous avoir encadrés tout au long de ce projet. Il était toujours disponible, à l’écoute de nos nombreuses questions, intéressé par l’avancement de notre travail et il n’a épargné aucun effort pour nous mettre sur la bonne voie. Nous tenons aussi à adresser nos profondes gratitudes à tous ceux qui nous ont aidés, et contribués de près ou de loin à réaliser ce modeste projet. 2 Résumé Ce travail a été élaboré dans le cadre de notre projet de fin d’année 2. Nous présentons dans ce projet une simulation numérique basée sur l’approche CFD qui étudie l’efficacité d’un échangeur thermique. Ce travail évoque les différentes formes de transfert de chaleur, la conduction thermique à travers deux conduites concentriques, contenants deux fluides qui circulent dans un même sens où s’effectue un phénomène de convection. Dans cette approche on va s’intéresser d’un écoulement en régime laminaire pour simplifier les calculs numériques et on va étudier les variations de température et de pression au niveau de chaque fluide pour deux cas différents, dans chaque cas on va fixer un débit pour un fluide et varier le débit de l’autre. Finalement, nous allons évaluer le comportement du système par visualisation des courbes de variation de l’efficacité en fonction du débit de chaque fluide pour chaque cas. Mots clés : CFD, simulation, transfert de chaleur, échangeur thermique, efficacité, conduction, convection, régime laminaire. Abstract We present in this project a numerical simulation based on the CFD approach, which studies the efficiency of a heat exchanger. This work evokes the various forms of heat transfer, thermal conduction through two concentric pipes, containing two circulating fluids in the same direction where a convection phenomenon takes place. In this approach, we will be interested in a laminar flow to simplify the numerical computations and we will study the variations of the temperatures and the pressures at the level of each fluid for two different cases, in each case we will fix a flow for one fluid and vary the speed of the other. Finally, we will evaluate the behavior of the system by visualizing the curves of variation of the efficiency as a function of the flow rate of each fluid for each case. Key words: CFD, simulation, heat transfer, heat exchanger, efficiency, conduction, convection, laminar flow. 3 Table des matières Remerciements ......................................................................................................................... 1 Résumé ...................................................................................................................................... 2 Abstract ..................................................................................................................................... 2 Introduction générale .................................................................................................................. 7 Chapitre I : Synthèse bibliographique ........................................................................................ 8 1. Introduction ..................................................................................................................... 9 2. Transfert thermique ......................................................................................................... 9 2.1. La conduction : ............................................................................................................ 9 2.2. La convection : ........................................................................................................... 10 2.3. Le rayonnement : ....................................................................................................... 11 3. Les échangeurs thermiques ............................................................................................... 12 3.1. Description ................................................................................................................. 12 3.2. Hypothèse de fonctionnement .................................................................................... 13 3.3. Conventions ............................................................................................................... 13 3.4. Fonctionnement général d’un échangeur thermique .................................................. 13 4. Évaluation des performances thermiques d’un échangeur ............................................ 13 4.1. Distribution de température dans un échangeur ..................................................... 13 4.2. Méthode de la différence logarithmique des températures .................................... 14 4.3. Évaluation du coefficient d’échange global ........................................................... 15 5. Efficacité d’un échangeur .............................................................................................. 16 6. Modélisation mathématique ............................................................................................. 16 7. Les équations fondamentales ............................................................................................ 17 7.1. Equations de Navier-Stokes ....................................................................................... 17 7.2. Equation de la chaleur ................................................................................................ 18 Conclusion ............................................................................................................................ 19 Chapitre II : Modélisation numérique ...................................................................................... 20 1. Introduction ................................................................................................................... 21 2. Organisation du code CFD : Computational Fluid Dynamics ...................................... 21 2.1. Préprocesseur : ........................................................................................................... 22 2.2. Solveur : ..................................................................................................................... 23 2.3. Post-processeur : ........................................................................................................ 23 3. Les codes de CFD ......................................................................................................... 23 3.1. Le code ANSYS CFX ............................................................................................ 23 4 3.2. Le code ANSYS Fluent .......................................................................................... 24 4. La méthode numérique .................................................................................................. 24 4.1. Procédure numérique ............................................................................................. 24 4.2. Maillage ................................................................................................................. 25 Conclusion ............................................................................................................................ 26 Chapitre III : Modélisation, résultats et interprétations ............................................................ 27 1. Introduction : ................................................................................................................. 28 2. Construction du modèle : .............................................................................................. 28 2.1. Démarche numérique par CFD : ............................................................................ 28 2.2. Observations et interprétations .............................................................................. 34 Conclusion : .......................................................................................................................... 43 Conclusion générale ................................................................................................................. 44 Références Bibliographiques .................................................................................................... 45 5 Tables des figures Figure 1 transfert thermique par conduction…………………………………………….....9 Figure 2 transfert thermique par convection ……………………………………………...10 Figure 3 transfert thermique par rayonnement…………………………………………… 12 Figure 4 schéma d'un échangeur tubulaire simple………………………………………... 12 Figure 5 schématisation des fonctionnements à co -courant et à contre-courant………… 13 Figure 6 maillage structuré……………………………………………………………….. 25 Figure 7 maillage non structuré…………………………………………………………...26 Figure 8 adaptation de la géométrie (solides)…………………………………………….. 29 Figure 9 Adaptation de la géométrie (Liquides)…………………………………………..30 Figure 10 Construction du maillage (premier essai)…………………………………….. 31 Figure 11 Construction du maillage (résultat final)……………………………………....31 Figure 12 Définition du domaine d'écoulement………………………………………….. 32 Figure 13 Calcul des résidus ……………………………………………………………..33 Figure 14 Convergence de la solution…………………………………………………… 35 Figure 15 Variation de la température pour le système étudié………………………....... 35 Figure 16 Variation de la pression pour le fluide intérieur……………………………… 36 Figure 17 Variation de la pression pour le fluide extérieur……………………………... 36 Figure 18 Profil de vitesse avant l'établissement du régime laminaire………………….. 37 Figure 19 Profil de vitesse en régime laminaire…………………………………………. 38 Figure 20 Variation de l'efficacité (premier cas)…………………………………………. 40 Figure 21 Variation de l'efficacité (2éme cas)……………………………………………. 42 6 Liste des tableaux Tableau 1 Variation de la température (2ème cas) ..................................................................... 39 Tableau 2 Variation de la pression (1er cas) ............................................................................ 39 Tableau 3 Calcul de l'efficacité (1er cas) ................................................................................. 39 Tableau 4 Variation de la température (2ème cas) ................................................................... 41 Tableau 5 Variation de la pression (2ème cas)......................................................................... 41 Tableau 6 Calcul de l'efficacité (2ème cas) .............................................................................. 41 7 Introduction générale Le transfert de chaleur est un phénomène présent partout et sous différents formes, il est traduit par une variation de température dans les corps solides, liquides et gazeux, pour les corps solides on parle d’une conduction thermique et pour les fluides on parle de convection. Il existe plusieurs appareils et systèmes permettant de modéliser ce phénomène comme le réfrigérateur, le chauffage et le climatiseur. Un échangeur thermique est un appareil permettant un transfert de chaleur d’un fluide chaud vers un autre froid. Il peut avoir plusieurs fonctionnalités, par exemple la réduction de la température d’un fluide très chaud qu’on ne peut pas extraire à une température initiale, il permet en même temps le chauffage d’un fluide froid par l’intermédiaire d’un autre plus chaud. L’efficacité de cet appareil consiste à évaluer les variations de la température et de pression pour chercher une solution optimale. Ce projet est réalisé dans le cadre d’une simulation numérique par l’approche. L’objectif de notre travail est de tester l’efficacité de notre mécanisme, pour ce faire nous avons divisé ce travail sur trois chapitres : Le premier chapitre est consacré à la recherche bibliographique, où on va définir des différentes formes de transfert de chaleur et donner les équations mathématiques sur lesquelles est basé notre problème. Le deuxième chapitre est réservé pour la présentation de l’approche CFD et la définition du code ANSYS Fluent sur lequel nous allons travailler. Nous allons aussi évoquer la procédure numérique reliée au maillage pour expliquer la méthode numérique de résolution du problème. Le dernier chapitre s’intéresse de la modélisation de notre système. Dans une première partie, nous allons décrire les étapes établies pour l’obtention de la géométrie et du maillage en définissant les conditions aux limites. Dans une deuxième partie, nous allons présenter les résultats de calcul et interpréter ces résultats. 8 Chapitre I : Synthèse bibliographique 9 1. Introduction Dans notre environnement quotidien direct et dans une multitude de procédés industriels nous sommes amenés à rencontrer des échangeurs thermiques. Un exemple assez bien connu d'échangeur de chaleur est le "radiateur" d'une automobile, qui permet de refroidir le moteur. Ce sont des appareils qui servent à transférer de la chaleur entre deux fluides de températures différentes. 2. Transfert thermique Le transfert thermique est un échange de chaleur sous l’action d’une source d’énergie entre deux corps de températures différentes, cette action s’établit sous l’effet d’un flux thermique dirigé du corps chaud vers le corps froid, on distingue trois types de transfert thermique : la conduction, la convection et le rayonnement. 2.1. La conduction : Ce mode de transfert de chaleur est effectué à travers des corps solides. Ce transfert est établi par agitation des atomes constituants un matériau. Le choc entre les particules agitées et les particules moins agitées dans un milieu matériel crée une énergie thermique qui engendre ce transfert de chaleur. La diffusion thermique varie en fonction du chemin poursuivi, uploads/Finance/ rapport-pfa2.pdf