Projet ANR-13-JS09-0012 – HotEt : Intensification du transfert de chaleur en régime de
turbulence élastique
Programme : JCJC - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédes et Energie (JCJC SIMI 9) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Teodor Burghelea (Laboratoire de Thermocinétique de Nantes)
Partenaires : Laboratoire de Thermocinétique de Nantes
Montant : 187242.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 42 mois
Résumé : L’intensification des transferts de chaleurs et des performances des échangeurs de chaleur est le sujet de nombreux
travaux de recherche. Améliorer le design des échangeurs de chaleur doit satisfaire plusieurs critères : ils doivent être si
possible compacts, avoir une grande efficacité thermique tout en minimisant les pertes de charge, et pour les applications
chimiques ou agroalimentaires, doivent être facilement nettoyables et ne pas altérer la qualité du produit par des
surchauffes à la paroi ou des cisaillements trop importants. La technique classique pour chauffer un fluide est de chauffer
la paroi, et les performances thermiques peuvent être augmentées de deux façons. Les techniques passives utilisent
soient des géométries tridimensionnelles complexes pour les conditions aux parois, ou l’ajout d’additif dans le fluide pour
l’intensification des transferts, tandis que les techniques actives requièrent un apport supplémentaire d’énergie.
L’advection chaotique, qui est la production de trajectoires chaotiques en régime laminaire, est une technique pour
augmenter le transfert de chaleur. L’augmentation du mélange et du transfert de chaleur en régime d’advection chaotique
comparé à un écoulement régulier a déjà été démontré. L’advection chaotique peut être généré en écoulement
bidimensionnel dépendant du temps, ou en écoulement stationnaire tridimensionnel. Généralement, l’augmentation du
coefficient de transfert de chaleur atteint un maximum pour un nombre de Reynolds optimal en régime laminaire. Cette
augmentation tend à se réduire considérablement pour de faibles nombres de Reynolds (<30). Les progrès depuis une
dizaine d’années dans la miniaturisation de différents systèmes, a engendré une nouvelle discipline : la microfluidique, qui
regroupe des scientifiques de différents domaines, sur des sujets autour de systèmes avec des échelles caractéristiques
de 1 à une centaine de microns. De nombreuses études se sont orientées récemment sur la caractérisation des transferts
de chaleurs dans des microcanaux pour des applications dans le refroidissement des composants électroniques par
exemple. Dans ce cas, les nombres de Reynolds atteignent de très faibles valeurs et l’advection chaotique « classique »
requiert un design spécial de microcanaux tridimensionnels qui peuvent devenir compliquer à produire. Un moyen
alternatif pour générer l’advection chaotique est d’introduire une source de non-linéarité dans les équations
hydrodynamiques , plutôt qu’un terme d’inertie. Ceci peut être réalisé en utilisant des fluides complexes, constitués de
blocs de structure à haut poids moléculaire qui peuvent interagir de façon non linéaire avec l’écoulement. Un exemple de
ce type d’écoulement chaotique est la turbulence élastique. L’objectif global de ce projet est de comprendre comment le
mouvement aléatoire du fluide en régime de turbulence élastique peut augmenter le transfert de chaleur dans un fluide
visqueux. Le projet sera mené à deux niveaux. Dans un premier temps, une compréhension physique du couplage entre
le champ de vitesse dans un écoulement en régime de turbulence élastique et le champ de température sera étudiée
dans un écoulement macroscopique de von Karman. Dans un deuxième temps, les résultats obtenus sur le couplage
spatio-temporel du champ de température et de vitesse serviront à concevoir un microéchangeur ouvert générant de la
turbulence élastique.