Propriétés thermo physiques des nanofluides

Propriétés thermo physiques des nanofluides

Les nanofluides

Les nanofluides sont des dispersions de particules de taille nanométrique (dont le diamètre est typiquement inférieur à 100 nm), appelées nanoparticules, dans un fluide de base afin d’améliorer certaines propriétés. Dans le cas des fluides caloporteurs, un des premiers paramètres à prendre en compte afin d’évaluer le potentiel d’échange de chaleur est la conductivité thermique. Or, les fluides les plus employés tels que l’eau, l’huile ou l’éthylène glycol ne disposent que d’une conductivité thermique faible par rapport à celle des solides cristallins. Avec les nanofluides, l’idée est alors d’insérer, au sein du fluide de base, des nanoparticules afin d’augmenter la conductivité thermique effective du mélange .
Les types de nanoparticules sont :
Métalliques : le cuivre (Cu), l’aluminium (Al), l’or (Au), l’argent (Ag).
Oxydes : l’oxyde de cuivre (CuO), l’oxyde de l’aluminium (Al2O3), le de titane (TiO2).

Applications des nanofluides

Les dispersions de nanoparticules trouvent déjà de nombreux domaines d’applications pour leurs propriétés magnétiques (paliers magnétiques à Ferro fluides, agents de contraste en imagerie médicale), pour leurs propriétés électriques (dépôt conducteur électro-mouillage pour lentilles liquides), et de marquage de cellules ou de contrefaçon avec des nanoparticules fonctionnalisées.
En thermique, les nanofluides peuvent être utilisés partout où des flux de chaleur importants doivent être évacués par des boucles liquides fermées : refroidissement de composants électriques et électroniques, radars, automobile…etc.)

Propriétés thermo physiques des nanofluides

De nombreuses études ont été menées afin de mesurer, mais aussi d’expliquer et de prédire, l’augmentation de la conductivité thermique des nanofluides. Différentes méthodes de mesure de conductivité thermique ont été employées, la plus courante reste la méthode utilisant un fil chaud en régime transitoire. Néanmoins, compte tenu de la dispersion des résultats, des billes expérimentales ont été suspectées et d’autres méthodes de mesure ont été utilisées, comme la méthode 3ω, les méthodes stationnaires utilisant une différence de température entre deux plaques ou deux cylindres et les méthodes optiques basées sur la variation de l’indice de réfraction en fonction de la température .

Maillage

Un maillage est une partition de l’espace ou d’un domaine en cellules appelées éléments. Le fichier produit par le modeleur géométrique, et fournit en sortie un maillage. Ceci comprend une information géométrique sur les sous-volumes et une information topologique sur la connectivité entre les éléments. Les maillages non structurés sont sous la forme d’une liste d’éléments interconnectés. Les formes sont souvent des triangles ou des quadrilatères en deux dimensions, et des tétraèdres, des cubes ou des hexaèdres en trois dimensions. Un élément possède un voisin par arête ou par face, selon que le maillage est bi- ou tridimensionnel. Dans le cas des maillages structurés, la connectivité est par définition implicite, et donc le maillage se résume à une simple liste de nœuds.

Maillages structurés

Un maillage est dît structuré lorsque la localisation des nœuds qui le constituent est défini par des indices, le nombre d’indices étant égal à la dimension géométrique du problème (un en 1D, deux en 2D et trois en 3D). Graphiquement, ces maillages se caractérisent sous la forme de grilles. Le maillage structuré est généré en reproduisant plusieurs fois une forme de maille élémentaire, il tire profit de la numérotation et la topologie est implicite (stockage quasi-nul, pas de table de connectivité). Les avantages et les inconvénients de ce type de maillage sont :
Avantages
Bon contrôle de l’épaisseur des mailles (au voisinage des parois à courbure régulière).
Facilité pour mailler des géométries très allongées (contrôle aisé du nombre de nœuds dans une direction privilégiée)
L’opérateur a le contrôle total de la qualité du maillage, contrairement aux maillages non structurés plus dépendants de l’algorithme de maillage. Il est donc plus facile de faire varier la densité du nombre de mailles selon les phénomènes physiques observés.
Les calculs sont généralement plus rapides dans un maillage structuré que dans un maillage non structuré.
Inconvénients
Limitation d’emploi aux domaines descriptibles par un quadrilatère 2D et un hexaèdre 3D.
Pas de possibilité de raffiner le maillage sans augmenter la taille.
L’expertise humaine est nécessaire. Un maillage structuré doit répondre à un cahier des charges précis. L’exemple de la jonction en T montre qu’il n’est pas facile d’obtenir un résultat satisfaisant.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Recherche bibliographique
Introduction
I.1 Etudes Numériques
I.2 Etudes expérimentales
I.3 Etudes analytiques
Conclusion
Chapitre II : Formulation mathématique du problème
Introduction
II.1 Géométrie du problème
II.2 Formulation mathématique du problème
II.3 Hypothèses simplificatrices
II.3.1 Equations gouvernantes
II.3.1.1 Equation de Continuité
II.3.1.2 Equation de quantité de mouvement
II.3.1.3 Equation d’énergie
II.3.1.4 Modèle de turbulence k-ε
II.4 Conditions aux limites
II.5 Propriétés du fluide
II.6 Les nanofluides
II.6.1 Préparation des nanofluides
II.6.2 Applications des nanofluides
II.6.3 Propriétés thermo physiques des nanofluides
Conclusion
Chapitre III : Résolution numérique
Introduction
III.1 Méthode numérique
III.2 Maillage
III.2.1 Composants du maillage
III.2.2 Choix du type de maillage
III.2.3 Maillages structurés
III.2.4 Maillages non structurés
III.2.5 Maillage hybride
III.3 Présentation de GAMBIT
III.3.1 Présentation du la géométrie dans GAMBIT
III.4 Présentation de FLUENT
III.4.1 Importation de la géométrie
III.4.2 Vérification du maillage importé
III.4.3 Vérification de l’échelle
III.4.4 Choix du solveur
III.4.5 Affichage de la grille
III.4.6 L’équation de l’énergie
III.4.7 Choix du modèle de turbulence
III.4.8 Définition des caractéristiques des matériaux
III.4.9 Définition des conditions de fonctionnement
III.4.10 Définition des conditions aux limites
III.4.11 Initialisation de calcul
III.4.12 Choix des critères de convergence
III.4.13 Choix d’ordre des équations et l’algorithme
III.4.14 Lancement du calcul
Conclusion
Chapitre IV : Résultats et discutions
Introduction
IV.1 Choix de maillage
IV.2 Validation des résultats
IV.3 Partie dynamique
(a) Champ de vitesse
(b) Profils de vitesse axiale
(c) Coefficient du frottement local
(d) Coefficient moyen du frottement
IV.4 Partie thermique
(a) Contours de température totale
(b) Nombre de Nusselt moyen
IV.5 Coefficient de performance thermo-hydraulique (PEC)
Conclusion
Conclusion générale