Effet des parois rainur©es sur la couche limite turbulante

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Licence/Master Sciencedelamatire Stage 20102011cole Normale Suprieure de Lyon Jrmy FERRANDUniversit Claude Bernard Lyon I L3 PhysiqueEet des parois rainures sur le transfertthermique dans une couche limite turbulenteRsum :Ce stage, de nature exprimentale, est centr sur la comprhension des changes thermiques convec-tifs dans une sous couche limite turbulente provoque par un bord dattaque. En particulier, ontudie laction que peut avoir une rugosit ordonne de lordre de20m compltement immergedans la sous-couche visqueuse. Une technique de mesure de vitesse, de temprature et de puissanceadapte cette tude, base sur la technologie des couches minces a t mise en place. Aprs avoirtudi la structure de la couche limite, les rsultats montrent un eet mesurable dans les changesthermiques convectifs.Mots clefs : couche limite, turbulence, transfert thermique, rugosit, sous-couche visqueuseStage encadr par :Mathieu CREYSSELSMathieu.Creyssels@ec-lyon.fr / tl. (+33) 4 72 18 61 67Ecole Central de Lyon (LMFA)36 Avenue Guy de Collongues69134 ECULLY CEDEX Francehttp://lmfa.ec-lyon.fr/index.phpEffetdesparoisrainuressurletransfertthermiquedansunecouchelimiteturbulente JrmyFERRAND20 avril 20122RemerciementsJe voudrais tout dabord remercier Elena Sanz Garcia qui a eectu une thse de 3 ans soutenue en2007 sur "Linuence de la micromorphologie de surface dans les changes thermiques convectifs". Jaipu reprendre certaines de ces expriences dans des conditions direntes et mappuyer sur son travail.Je remercie galement mon matre de stage Mathieu Creyssels, qui a su me transmettre sa passionpour la recherche dans son domaine et ma apport des nombreuses connaissances scientiques en m-canique des uides. Merci pour ce temps ddi, les explications pdagogiques, et les longues discussionssur notre projet.Jaimerais ensuite remercier Christian Nicot, qui a toujours t prsent et disponible, avec un grandinvestissement, danslaquasi totalitdesexpriencesduprojet. Merci galementpourtonsensdelhumour et ta sympathie.Enn je remercie lensemble du personnel du LMFA pour laccueil, la bonne ambiance lors de tousles vnements. Jai pass deux mois vraiment trs agrable.Table des matiresNotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Capteurs 31.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.1 Le choix du capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.2 Fabrication et caractristiques des capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.3 Rugosits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Etalonnage des capteurs en temprature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.1 Position du problme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.2 Protocole exprimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.3 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Prols de vitesse 92.1 Support prol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Fil chaud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.2 Etalonnage et montage exprimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3 Prol de vitesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.2 Protocole exprimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.3 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Eet des rugosits sur le transfert thermique convectif 143.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.1.1 Nombres sans dimension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.1.2 Transfert thermique global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2 Protocole exprimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.3 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20ACaractristiques des capteurs 21BCalcul de lintgration du Nusselt thorique 23CAperu en trois dimensions des points de mesures 24Bibliographie 254Effetdesparoisrainuressurletransfertthermiquedansunecouchelimiteturbulente JrmyFERRANDNotationsCapteur R0 Capteur lisseCapteur R1 Capteur simple chevronsCapteur R2 Capteur double chevronCapteur R3 Capteur double chevron dcalR(T) Rsistance de platine dpendant de la tempratureR0Rsistance de la platine T= 0CA,B,C Constantes dont la valeur importe peuT Temprature Coecient de rsistivit en fonction de la temprature (C1)Pt100 Sonde de platine dont la valeur thoriqueR0= 100CfCoecient de frottement paritalpContrainte de la paroiedensit volumique du uide, ici de lairUVitesse de lcoulement loin de la surface tudie Viscosit dynamiqueU Vitesse de lcoulement une cote considrez Cote laquelle on se placeUVitesse de frottementU+Vitesse adimentionnez+Cote adimentionne Epaisseur de la couche limite Constante de Von-Karman gale 0.41k Taille de llment rugueuxk+Taille de llment rugueux adimentionne Viscosit cinmatiqueUM(z) Vitesse moyenne de lcoulement la cotezNu Nombre de NusseltPr Nombre de PrandtlRe Nombre de ReynoldsRa Nombre de Rayleighh Coecient de conductivit convectifL, L

Longueurs caractristiques Conductivit du uide Diusivit thermiqueg Constante de gravitation dans le laboratoireTdTemprature du dptTTemprature de lcoulementT Dirence entre la temprature du dpt et de celle de lcoulement :TdT Coecient de dilatation thermique de lairV Tension au bornes du dptI Courant traversant le dptP Puissance fournie au dptS Surface du dpt en contact avec lairRtRsistance thermique du support Emissivit de la surface du dpt Constante de StefanTfTemprature de lm Distance non chaue valant 10cm dans notre expriencePperduePuissance perdue par rapport la loi thorique1Effetdesparoisrainuressurletransfertthermiquedansunecouchelimiteturbulente JrmyFERRANDIntroductionLes transferts de chaleur sont la base de nombreux procds industriels et techniques mais on lesretrouve galement dans la vie quotidienne. Lamlioration des transferts thermiques est un enjeu ca-pital dans de nombreux domaines. Ce domaine de recherche a normment volu depuis des dcennieset cela devient vital au vu de la pnurie dnergie fossile. La comprhension des phnomnes mis enjeu est une tape trs importante vers cette amlioration.Durantcestage, nousnoussommesintresssauxchangesthermiquesentreunsolidechaulectriquement et un uide rfrigrant en convection force. Il faut tudier les changes entre lair etla surface, et plus particulirement dans la couche limite qui se dveloppe sur cette dernire, et danslaquelle les forts gradients de vitesse et de temprature dterminent le processus de transfert.Certaines surfaces comme les peaux de requins ont la proprits de diminuer le frottement avec unuide alors que la surface eective augmente. Des tudes ont t menes dans [3] sur le frottement entreun uide visqueux et une surface rugueuse. Les rsultats sont signicatifs avec une rduction jusqu10%dufrottemententreleuideetlasurface. OronsaitquedaprslanalogiedeReynolds, lefrottement et le transfert thermique sont proportionnels. Il faut prsent pouvoir tudier le transfertthermiqueentreunuideet unesurfacerugueuseandeconrmer oudinrmer quedans cettesituation lanalogie de Reynolds est valable. Trs peu dexpriences ont t publies ce sujet. Nouspouvonstrouver[7] qui armeparcesexpriencesqueletransfertthermiqueaugmenteavecdesrugosits. Cependant les expriences ont t raliss dans des conditions direntes et laugmentation detransfert thermique est bien trop importante pour provenir de la simple rugosit (50% daugmentationde transfert de chaleur contre une rduction de10% du frottement daprs [3]). Il nous reste donc eectuer nos propres expriences. Quelque soit le rsultat il nous apportera une rponse : si le transfertthermique diminue cest que lanalogie de Reynolds est vri et si le transfert thermique augmentealors nos rugosits pourront tre utilises pour rduire le frottement tout en augmentant le transfertthermiqueLa mesure de temprature est une tape importante dans la dmarche de notre travail. La premirepartie de notre travail consiste expliquer les choix qui ont t faits pour la conception des capteursainsi que des mesures de temprature par des rsistances lectriques sensibles la temprature. Ensuiteil faut talonner les capteurs an davoir la meilleure prcision possible.La structure de la couche limite turbulente est la clef des lois des transferts thermiques convectifs,et dans la majorit des cas en convection force. Une description de la structure de la couche limiteturbulente est lobjet du chapitre 2. On peut dj dire que dans cette rgion se trouve une trs necouche de uide, appele sous-couche visqueuse, o les eets visqueux sont prdominants.Uneautrecaractristiquedes coulements turbulents deparoi est leur dpendancevis--vis deltat de la surface. Le uide proche de la paroi est soucis de fortes contraintes de cisaillement, ce quignre une forte production turbulente. Cependant, la sous-couche visqueuse na pas t susammentexplore, et les eets de la rugosit dans cette rgion ont t longtemps ngligs. Lanalyse de leet dela rugosit dans une couche limite est aussi complique par le fait que la gomtrie et les chelles deslments rugueux varient beaucoup. Les rsultats concernant linuence dun rugosit immerge dansla sous-couche visqueuse sont dcrits dans le chapitre 3.Danscerapport, jeprsentetoutl