Contribution à l’étude des transferts thermiques dans les nanofluides

Abstract

Cette thèse porte sur l’étude du transfert de chaleur en régime laminaire par convection forcée, ainsi que sur l’analyse de la génération d’entropie thermique et de friction dans l’écoulement de trois nanofluides : Al?O?/eau, CuO/eau et Cu/eau. A l’aide du logiciel ANSYS Fluent, des simulations numériques ont été réalisées selon une approche monophasique, dans quatre configurations : une conduite axisymétrique et trois types de canaux bidimensionnels (droit, sinusoïdal et carré) tous soumis à un flux thermique constant. Les paramètres étudiés incluent différentes concentrations en nanoparticules (de 0 à 5 %), des diamètres variant de 10 à 60 nm, ainsi qu’un nombre de Reynolds compris entre 250 et 2000 pour la conduite, et entre 200 et 800 pour les canaux. Dans un premier temps, l’étude menée dans la conduite a mis en évidence que l’augmentation de la concentration en nanoparticules, combinée à une réduction de leur diamètre, améliore sensiblement le transfert thermique. Parmi les modèles de viscosité testés, celui de Pak et Cho s’est montré le plus performant, en particulier pour le nanofluide Al?O?/eau, avec un nombre de Nusselt plus élevé et une réduction marquée de la génération d’entropie. Par ailleurs, l’influence du nombre de Reynolds a été clairement observée : une augmentation de celui-ci intensifie le transfert de chaleur et réduit l’entropie thermique, bien que les pertes de charge augmentent légèrement. L’analyse comparative des nanofluides a révélé que Cu/eau et Al?O?/eau présentent les meilleures performances thermiques, tandis que CuO/eau est le moins efficace. Le comportement du coefficient de perte de charge (?), qui diminue puis se stabilise avec l’augmentation de Reynolds, témoigne d’un écoulement pleinement développé avec des pertes hydrauliques quasi constantes. En définitive, l’Al?O?/eau apparaît comme le nanofluide le plus avantageux, en offrant un bon compromis entre efficacité thermique et limitation des pertes énergétiques. Dans un second temps, l’étude s’est intéressée à l’impact de la géométrie du canal sur les performances thermiques du nanofluide Al?O?/eau. Les résultats ont montré que les canaux ondulés, notamment la géométrie sinusoïdale, permettent d’améliorer significativement le transfert de chaleur grâce à la création de zones de recirculation qui favorisent le mélange entre le fluide et la paroi. La comparaison entre les trois géométries révèle que le canal sinusoïdal offre le meilleur équilibre entre performance thermique et pertes de charge, avec une génération d’entropie globale relativement faible. Le canal carré présente des performances intermédiaires, tandis que le canal droit se montre le moins efficace. En conclusion, les résultats de cette étude, obtenus par simulation numérique, sont prometteurs pour la conception de systèmes de gestion thermique compacts et performants, tels que les échangeurs de chaleur, capteurs solaires ou réacteurs chimiques