Etude des Phénomènes de Transfert de Chaleur dans les Nanofluides

Abstract

Le présent travail de thèse consiste en une caractérisation numérique de l’écoulement dynamique et thermique, par convection naturelle, d’un nanofluide baignant dans une cavité carrée différentiellement chauffées ainsi qu’une quantification des échanges convectifs qui s’y opèrent. La simulation numérique est implémentée via le code CFD (Computational Fluid Dynamics) Fluent fondé sur la méthode des volumes finis. La première partie de ce travail est consacrée à l’étude de l’influence du facteur forme et rapport d’aspect des nanoparticules (NPs) d’Al2O3 sur la structure générale de l’écoulement avec une attention particulière au nombre de Nusselt. Les deux cas classiques de la convection naturelle en régime laminaire et stationnaire sont considérés : la cavité aux parois verticales différentiellement chauffées et le problème de Rayleigh-Bénard. Une étude paramétrique exhaustive est conduite en considérant trois différentes formes de nanoparticules (NPs) d’Al2O3 avec différents rapport d’aspect (sphérique ( , sphéroïdale allongée ( et aplatie ( ) dispersées dans de l’eau avec différentes fractions volumiques, (0, 0.02, 0.05, 0.08 et 0.1) dont le nombre de Rayleigh, Ra, varie dans l’intervalle [103 à 106]. Les résultats issus de la simulation sont analysés à travers les isothermes, les lignes de courant, les profils de vitesse et de température et du nombre de Nusselt moyen. Il a été révélé que le transfert de chaleur s’intensifie en augmentant le nombre de Ra ainsi que la fraction en volume des nanoparticules. Le nanofluide basé sur la suspension sphéroïdale aplatie semble être le nanofluide le plus performant, d’une part. D’autre part, l’amélioration du transfert de chaleur, pour le cas des nanoparticules de forme sphéroïdale allongée, est plus probante en augmentant le rapport d’aspect. Enfin, les résultats ont également relevé que le taux d’amélioration du transfert thermique s’accroît en diminuant le nombre de Rayleigh indépendamment de la cavité, de la forme et du rapport d’aspect des nanoparticules. La seconde partie est dévouée à la caractérisation de l’écoulement d’un nanofluide hybride (Al2O3-Cu / Eau) confiné dans une cavité aux parois verticales différentiellement chauffées. En somme, les résultats obtenus ont montré une meilleure performance thermique offerte par ce nanofluide en comparaison avec le fluide de base et le nanofluide contenant seulement les NPs d’Al2O3 ou de Cu. Cette amélioration du transfert de chaleur devient plus probante avec l’augmentation de la teneur en volume (% en Vol.) des nanoparticules de Cu.