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INSTITUT NATIONAL AGRONOMIQUE PARIS-GRIGNON Ecole Doctorale ABIES THÈSE pour ob

INSTITUT NATIONAL AGRONOMIQUE PARIS-GRIGNON Ecole Doctorale ABIES THÈSE pour obtenir le grade de Docteur de l’Institut National Agronomique Paris-Grignon Discipline : Génie des Procédés Présentée et soutenue publiquement le 04 février 2005 par Sami BEN AMARA Ingénieur Industries Alimentaires ESIA-TUNIS DEA Génie des Procédés ENSIA-MASSY E EC CO OU UL LE EM ME EN NT TS S E ET T T TR RA AN NS SF FE ER RT TS S T TH HE ER RM MI IQ QU UE ES S E EN N C CO ON NV VE EC CT TI IO ON N N NA AT TU UR RE EL LL LE E D DA AN NS S L LE ES S M MI IL LI IE EU UX X M MA AC CR RO O- -P PO OR RE EU UX X A AL LI IM ME EN NT TA AI IR RE ES S A AP PP PL LI IC CA AT TI IO ON N A AU UX X R RE EF FR RI IG GE ER RA AT TE EU UR RS S M ME EN NA AG GE ER RS S Membres de Jury : Françoise MONCHOUX Président Alain KONDJOYAN Rapporteur Dominique GOBIN Rapporteur Denis FLICK Directeur de thèse Marie-Catherine CHARRIER-MOJTABI Codirecteur de thèse Onrawee LAGUERRE Examinateur Membres invités : Graciela ALVAREZ Bérengère LARTIGUE Jean MOUREH Institut de recherche pour l’ingénierie de l’agriculture et de l’environnement Unité de Recherche Génie des Procédés Frigorifiques - Antony A tous ceux qui me sont chers, Remerciements Au terme de ce travail, je voudrais remercier ici toutes les personnes qui ont contribué de près ou de loin à son bon déroulement. Mes premiers remerciements s’adressent à mon directeur de thèse M. Denis FLICK, professeur à l’INAP-G. Je tiens à lui exprimer ma profonde reconnaissance pour ses précieux conseils, l’enthousiasme et les innombrables heures qu’il m’a consacrées. La qualité de son encadrement, sa perspicacité et lucidité scientifiques, et son esprit de rigueur ont été primordiaux tout au long de la thèse. Qu’il trouve ici le témoignage de ma plus profonde gratitude. Je remercie Mme Onrawee LAGUERRE, chargée de recherche au sein de la division GPAN du Cemagref, qui m’a fait profiter de son expérience dans le domaine de la réfrigération des produits. Je tiens également à lui exprimer ma sincère reconnaissance pour l’intérêt avec lequel elle a suivi ce travail, pour toute sa gentillesse, son bon accueil, sa constante bonne humeur et ses précieuses contributions tout au long de la thèse. J’adresse mes plus vifs remerciements à mon codirecteur de thèse, Mme Marie-Catherrine CHARRIER-MOJTABI, professeur au Laboratoire d’Energétique de Toulouse qui a bien voulu encadrer ce travail. Je remercie très vivement Mme Bérengère LARTIGUE, maître de conférence au Laboratoire d’Energétique de Toulouse et Mme Françoise MONCHOUX, professeur au Laboratoire d’Energétique de Toulouse pour leur soutien efficace et attentif. Je suis sensible à toutes leurs remarques d’intérêt envers mon travail. Je n’oublierai pas de remercier le personnel de l’IMFT qui a contribué au bon déroulement de mon séjour à Toulouse. Je voudrais garder une place particulière à Mme Graciela ALVAREZ et M. Jean MOUREH, chargés de recherche au sein de la division GPAN pour leur amicale collaboration et l’intérêt constant apporté à ce travail. Je remercie M. Dominique GOBIN, directeur de recherche au CNRS ainsi que M. Alain KONDJOYAN, chargé de recherche à l’INRA, qui m’ont fait l’honneur d’être rapporteurs pour cette thèse. Par la même occasion je remercie Mme Françoise MONCHOUX, qui a bien voulu accepter de faire partie de mon jury de thèse. Je tiens à remercier Mr. Jacques GUILPART, chef de la division GPAN du Cemagref, de m’avoir accueilli au sein de son unité de recherche. Je garde en mémoire tous ceux qui ont contribué de près ou de loin au bon déroulement des expérimentations : Michèle UDE, Françoise OLLIVON, Mamady TANGARA, Christophe JOUQUIN, Joseph ANDREU et Claude FAVIER, qu’ils trouvent ici le témoignage de ma plus profonde reconnaissance. Ma gratitude s’adresse également à l’ensemble du personnel de la division GPAN et du GIE- Cemafroid. J’ai vécu au sein de cette division une expérience très enrichissante aussi bien sur le plan professionnel que sur le plan humain. J’exprime enfin mes remerciements à tout le personnel, aux stagiaires et thésards du Cemagref, ainsi qu’à mes parents, ma famille et mes amis, qui, par leur bonne humeur, sympathie et amitié ont contribué au bon déroulement de cette thèse. Avant propos Ce travail de thèse a été réalisé au sein de l’unité de recherche GPAN (Génie des Procédés frigorifiques - Antony) du Cemagref (Institut de recherche pour l’ingénierie de l’agriculture et de l’environnement). Un séjour de 3 mois a été effectué à l’Institut de Mécanique de Fluide de Toulouse, en liaison avec le Laboratoire d’Energétique de Toulouse, afin de réaliser des mesures de Vélocimétrie par images de particules. La thèse fait partie des thématiques de recherche de l’UMR-Génial (Unité Mixte de Recherche Génie industriel alimentaire, qui regroupe le Cemagref, l’INAPG, l’ENSIA et l’INRA). Elle est inscrite dans le cadre d’un projet AQS (Aliment Qualité Sécurité) financé par la Direction Générale de l’Alimentation (DGAl) du Ministère de l’Agriculture. Le financement de la thèse a été réalisé conjointement par le Cemagref et la région Ile de France. Plusieurs partenaires ont participé à ce projet : Des partenaires scientifiques INAP-G (Institut National Agronomique Paris – Grignon). Laboratoire d’Energétique de Toulouse. Des partenaires industriels : deux fabricants de réfrigérateurs ménagers Bosch et Siemens Électroménager Whirlpool France Résumé – Abstract Résumé L’étude porte sur les écoulements et les transferts en convection naturelle au sein d’empilements de produits alimentaires et plus particulièrement dans des réfrigérateurs ménagers. L’approche est à la fois expérimentale et numérique. Une première étude a été effectuée dans un empilement ordonné de sphères soumis à une convection à faible vitesse d’air (u<0.2 ms-1). L’intensité des échanges convectifs entre les objets et l’air ainsi qu’entre la paroi de la cavité et l’air a été caractérisée en fonction de la position et de la vitesse. Par ailleurs, les résultats ont montré que les autres modes de transfert (conduction et rayonnement entre les objets et avec les parois) sont du même ordre de grandeur que la convection. Des mesures de vitesse d’air (par vélocimétrie par images de particules) et de température ont été effectuées dans une enceinte fermée représentant une maquette d’un réfrigérateur ménager (à l’échelle 1) dans différentes configurations (maquette vide, maquette chargée d’empilement de produits inertes thermiquement et de produits échangeant de la chaleur). Des instationnarités dans le bas de l’enceinte vide ont été mis en évidence (Ra ≈ 3×108). La présence d’empilements d’objets (même inerte thermiquement) modifie de façon importante les écoulements et les transferts. Les simulations numériques effectuées avec un logiciel de mécanique de fluide pour les différentes configurations étudiées sur la maquette et dans le cas d’un réfrigérateur réel ont donné des prédictions satisfaisantes en comparaison avec les mesures expérimentales. Mots clés : milieu macro-poreux, convection naturelle, coefficient de transfert convectif, conduction, rayonnement, réfrigérateur ménager, simulations numérique (CFD). Abstract In this work, the airflow and heat transfer by natural convection have been investigated in a stack of foodstuffs and particularly in domestic refrigerators. Both experimental and numerical approaches were conducted. Firstly, an experimental study was carried out using an ordered stack of spheres that was subjected to low air velocities (u<0.2 m s-1). The convective heat transfer coefficients between the objects and the air and between the wall of the cavity and the air were characterized according to the position and air velocity. The results showed that conduction and radiation effects between the objects and with the walls were of the same order of magnitude as convection. Measurements of the air velocity (using Particle Imaging Velocimetry) and temperature were made in an enclosure representing a domestic refrigerator model for various configurations (empty model, model loaded with stacking of inert products and model loaded with stacking of heat exchange products). A transient state behavior was observed at the bottom of the empty enclosure at a Rayleigh of 3×108. The presence of object stacks (even thermally inert) was shown to significantly modify the airflow and heat transfer characteristics. The numerical simulations using computational fluid dynamic software for various configurations (carried out for the model and real refrigerator) were shown to satisfactorily predict the experimental measurements. Keywords : macro-porous media, natural convection, convective heat transfer, radiation, conduction, domestic refrigerator, numerical simulation (CFD) Publications - Communications Publications BEN AMARA S., LAGUERRE O., et FLICK D., (2004), Experimental study of convective heat transfer during cooling with low air velocity in a stack of objects, International Journal of Thermal Sciences, vol. 43, p. 1212-1221. LAGUERRE O., BEN AMARA S., et FLICK D., (2005), Experimental study of heat transfer by natural convection in closed cavity : Application to domestic refrigerator, Journal of Food Engineering, (Soumis le 22/04/2004, accepté le 05/10/2004 ). LAGUERRE O., BEN AMARA S., et FLICK D., (2005), Heat transfer between wall and packed bed crossed by low velocity airflow, International Journal of Thermal Sciences, uploads/Geographie/ ecoulements-et-transferts-thermiques-en-convection-naturel.pdf