Étude de la convection naturelle au sein d’un nanofluide.

L’amélioration des performances énergétiques est devenue un enjeu majeur à la fois pour le secteur

industriel et pour les besoins de la société. Aujourd’hui les progrès des techniques requièrent des modes de transfert de chaleur de plus en plus efficaces. Le transfert convectif intervient dans de nombreux secteurs de production, tels que les centrales nucléaires, les systèmes de climatisation, etc… mais aussi dans des phénomènes naturels tels que les courants marins. Cette amélioration passe par les processus de transfert de chaleur, dont la convection.

L’intensification des transferts convectifs fait l’objet de plusieurs investigations. Parmi les voies lesplus prometteuses, les analyses convergent sur l’importance du fluide caloporteur. Ainsi, les fluides chargés de particules de différentes tailles peuvent répondre positivement à cette problématique. Nous nous sommes intéressés à l’étude, par une approche numérique et expérimentale, du phénomène de convection naturelle, type Rayleigh-Bénard, dans une cellule remplie de fluides chargés de particules nanométriques, micrométriques et millimétriques. L’objet de cette présentation est de montrer les résultats préliminaires obtenus par l’utilisation du logiciel libre Basilisk développé à l’Institut ∂’Alembert, qui permet de résoudre des équations différentielles en volume finis. Nous avons opté pour un modèle semi-diphasique, le modèle Buongiorno [1], qui permet de résoudre les équations de Navier-Stokes couplées à l’équation de la conservation de l’énergie et de transfert de masse. Par ailleurs nous avons utilisé le modèle théorique de Masoumi et al [2] pour décrire notre viscosité effective et le modèle de Corcione [3] pour la conductivité effective. Pour caractériser notre écoulement en fonction de la concentration volumique de particules, nous avons déterminé le nombre de Nusselt local, des profils de vitesses et de température. Nous montrons dans cette présentation les premiers résultats obtenus. Par ailleurs, un dispositif expérimental est en cours de finalisation. Il s’agit d’une cellule de Rayleigh-Bénard cylindrique en pmma, d’un diamètre d’une dizaine de cm. L’objectif de ce dispositif est de tester différents fluides chargés de particules et de détecter les seuils d’instabilité pour comprendre l’effet de la présence des particules sur les transferts convectifs. Pour cela, la technique de strioscopie sera utilisée pour caractériser la structure d’écoulement en fonction des paramètres d’étude tels que, le nombre de Rayleigh, la concentration et la taille des particules.

Références :

[1] Buongiorno, J. (2006). Convective transport in nanofluids.

[2] Masoumi, N., Sohrabi, N., & Behzadmehr, A. (2009). A new model for calculating the effective viscosity of nanofluids. Journal of Physics D: Applied Physics, 42(5), 055501.

[3] Corcione, M. (2011). Empirical correlating equations for predicting the effective thermal conductivity and dynamic viscosity of nanofluids. Energy conversion and management, 52(1), 789-793.

Work In Progress