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THESE DE DOCTORAT DE L’ETABLISSEMENT UNIVERSITE BOURGOGNE FRANCHE-COMTE PREPARE

THESE DE DOCTORAT DE L’ETABLISSEMENT UNIVERSITE BOURGOGNE FRANCHE-COMTE PREPAREE A L’UNIVERSITE DE FRANCHE-COMTE Ecole doctorale n°37 Sciences Pour l’Ingénieur et Microtechniques Doctorat d’Energétique Par Mme Emna DELLALI Étude théorique et expérimentale des écoulements oscillants alternés d’un gaz au sein de micro et milli-régénérateurs de moteur Stirling Thèse présentée et soutenue à Belfort, le 15 Octobre 2018 Composition du Jury : M. ALOUI, Fethi Professeur, Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis, ENSIAME, LAMIH Rapporteur M. MARTY, Philippe Professeur, Université de Grenoble Alpes, LEGI, CEA Rapporteur M. FORMOSA, Fabien Maître de conférences HDR, Université de Savoie Mont-Blanc, SYMME Examinateur M. FRECHETTE, Luc Professeur, Université de Sherbrooke, Canada, C2MI MICROS Examinateur M. DE LABACHELERIE, Michel Directeur de recherche CNRS, FEMTO-ST, MN2S Examinateur M. RAUCH, Jean-Yves Ingénieur de recherche, Université de Franche-Comté, FEMTO-ST, AS2M/MN2S Examinateur M. LANZETTA, François Professeur, Université de Franche-Comté, FEMTO-ST, ENERGIE Directeur de thèse Mme. BEGOT, Sylvie Maître de conférences, Université de Franche-Comté, FEMTO-ST, ENERGIE Co-encadrante de thèse Sommaire Remerciements viii Liste des ﬁgures viii Liste des tableaux xvii Nomenclature xix Introduction générale 1 1 Étude des régénérateurs thermiques 5 1.1 Introduction à la technologie du moteur Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.1 Principe de fonctionnement d’un moteur Stirling . . . . . . . . . . . 6 1.1.2 Cycles thermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.2.1 Cycle théorique de Carnot (cycle de référence) . . . . . . . 6 1.1.2.2 Cycle théorique de Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Régénérateur thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Déﬁnition, rôle et importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2 Caractéristiques d’un régénérateur thermique . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2.1 Géométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2.2 Propriétés physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.3 Étude des écoulements oscillants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3.1 Mécanisme des écoulements oscillants . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3.2 Eﬀet annulaire et déphasage . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.3.3 Paramètres adimensionnels caractéristiques . . . . . . . . 16 1.2.3.4 Transition vers la turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.3.5 Pertes de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.2.3.6 Transferts thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2.3.7 Figure de mérite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.3 Miniaturisation des convertisseurs de type Stirling . . . . . . . . . . . . . . 45 1.3.1 La loi d’échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 v vi SOMMAIRE 1.3.2 Les écoulements permanents des gaz dans les micro-canaux . . . . . 49 1.3.2.1 Limite de validité du régime continu et apparition du ré- gime raréﬁé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 1.3.2.2 Pertes de charges, transferts thermiques et transition vers la turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 1.3.3 Déﬁs technologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 1.3.3.1 Procédés de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 1.3.3.2 Packaging et interfaçage entre micro-macro dispositifs . . . 56 2 Conception et fabrication des régénérateurs 59 2.1 Critères de conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.1.1 Choix du matériau et de la géométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.1.1.1 Choix du matériau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.1.1.2 Choix de la géométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.1.2 Critères hydrauliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.1.3 Critères thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.1.4 Les lois de similitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.1.4.1 Similitude géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.1.4.2 Similitude dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.1.4.3 Similitude thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.2 Fabrication du régénérateur et packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.2.1 Régénérateur micrométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.2.2 Régénérateur millimétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3 Simulations numériques d’un écoulement oscillant de gaz 87 3.1 Présentation du solveur ANSYS Fluent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.1.1 Présentation du solveur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.1.2 Algorithme de résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.2 Modélisation de l’écoulement au sein du régénérateur . . . . . . . . . . . . 88 3.2.1 Déﬁnition de la géométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.2.2 Génération du maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.2.3 Simulations numériques sous ANSYS Fluent . . . . . . . . . . . . . 93 3.2.3.1 Régénérateur micrométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.2.3.2 Régénérateur millimétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.3.1 Régénérateur micrométrique . . . . . . . . . . . . uploads/Litterature/ these-a-dellali-emna-2018.pdf