These Transfert Thermique

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Universit de Reims Universit Tunis Champagne-Ardenne El Manar THSE En vue delobtention du titre de Docteur de l'Universit de Reims-Champagne Ardenneet de l'Universit de Tunis El Manar Discipline : Mcanique et Energtique Prsente par Ahlem ARFAOUI OMRANI ETUDE DE LA CONVECTION AUX PETITES ECHELLES : APPLICATION AU REFROIDISSEMENT DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES Soutenance publique le 04 Dcembre 2009, devant le jury : G. POLIDORI Professeur, Universit de ReimsExaminateur A. A. GUIZANIProfesseur, Centre de Recherches etTechnologies de l'Energie, Borj Cedria Examinateur O.FUDYMMC-HDR, Ecole des Mines d'Albi RapporteurF. GHMARIMC-HDR, Ecole prparatoire NabeulRapporteur R. BEN MAADProfesseur, Universit Tunis el ManarDirecteur de Thse J. PADETProfesseur, Universit de ReimsDirecteur de Thse M. REBAYMc-HDR, Universit de Reims Co- Directeur de Thse i Rsum

Durantcesderniresannes,lebesoindamliorerlestechniquesderefroidissementa largielechampdelarechercheconcernantletransfertthermique.Ilestnoterquela convectionnaturelleestutilisepourlessystmesdefaiblepuissanceetdedensitsdeflux rduite. Le refroidissement des systmes de forte puissance et grande chelle ncessite une dissipationthermiqueplusleve,raisonpourlaquellelaconvectionforceestlaplus appropriedanslaplupartdescas.Bienquelerefroidissementdecertainscomposantsde forte puissance se fasse de plus en plus avec coulement dun liquide ou avec changement de phase,lerefroidissementparcoulementdairdemeureencoretrsutilis.Le refroidissement par air est la mthode traditionnelle la plus utilis grce son moindre cot et sa fiabilit. Malgrquelesventilateurssoienttrsutilisspourextrairel'airdel'intrieurd'unbotier lectronique,ilexistebeaucoupdeproblmesquileslaissentindsirable,savoir:leur nuisancesonore,lesvibrationsqu'ilsintroduisentetquelemanqued'espacepourles installer. Ce travail de thse propose d'implanter des perturbateurs d'coulement qui guident le flux d'air circulant vers les zones les plus critiques quand il ny a pas assez de place pour installer un radiateur ailettes ou un ventilateur sur le composant.Nous menons ici une tude numrique et exprimentale afin d'analyser l'influence de certains paramtresliesauxdflecteurs(angled'inclinaison,hauteur,longueur,distanceentreles dflecteurs)surlel'augmentationdutransfertdechaleuretl'amliorationdu refroidissement. Abstract The need for more efficient cooling techniques has become the subject of increasing research intoheattransferandflowcharacteristicsinthelastseveralyears.Itiswellknownthat coolingofhighpowerandlargescaleequipmentrequireshigherheatdissipation,whythe forced convection is the most appropriate in most. Although, the cooling of such high power system is often with liquid flow or change phase, the cooling air flow is still widely used. Air coolingisthetraditionallymethodofcoolingtechnologyduetoitsavailabilityindesired amounts, low cost and high reliability. Althoughthefansaretraditionallyusedforexpellingwarmairinsideanelectronic enclosure, there are number of reasons why fans are undesired. This includes noise, vibration and enough space. This these's work proposes to implement deflectors that guide the air flow to the most critical areas when there is enough space to introduce heat sinks fins or a fan on the component.Wedevelopedhereanexperimentalandnumericalstudytoanalyzetheinfluenceofsome parametersrelatedtodeflector(theinclinationangle,height,length,spacingbetween deflectors) on enhancement of heat change and improving cooling. ii REMERCIEMENTS Ce travail de thse t ralis dans le cadre d'une cotutelle entre l'Universit deReimsetl'UniversitdeTunis.J'aimenmesrecherchesauseindulaboratoire L.T.M du groupe de recherche GRESPI de l'Universit de Reims, sous la direction du ProfesseurC.BISSIEUXquij'adressemessincresremerciementspourm'avoir accueilli dans le laboratoire. Une autre partiede recherche a t mene au sein du laboratoireL.E.T.T.M duDpartementdePhysiquedelaFacultdesSciencesdeTunis,sousla responsabilitscientifiqueduProfesseurA.ELCAFSIquijexprimemaprofonde reconnaissance. Jetiensenpremierlieuremerciertrschaleureusementl'undemesdirecteursdethseJacquesPADET,poursadisponibilitetsonindulgenceetses prcieux conseils lucides quil a bien voulu me prodiguer en vue de raliser ce travail. Mes remerciements vont galement mon deuxime directeur de thse Rejeb BENMAAD,pourm'avoiraccordsaconfiancetoutaulongdecettethse.Jeluisuisreconnaissantedesonsoutiensansfailleetdesonoptimismeconstantquant laboutissement de nos projets.

Jetiensexprimermessincresremerciementsmonco-directeurdethse MouradREBAY,quiaorientmontravailavecsesinstructionsjudicieuseset pertinentesqui na cess de me fournir. L'ambiance amicale et de bonne humeur au sein du laboratoire L.T.M sont en grandepartieresponsablesdel'aboutissementdecetravail.Mercidonc:Catalin POPA,StphaneFOHANNO,FabienBEAUMONT,HananeZAIDI,Mohammed LACHI et Anh Dung TRAN LE. Enparalllejesouhaiteadressermesvivesreconnaissancestousles membresduLaboratoireL.E.T.T.M.MerciM.HAMMAMI,Matreassistantla FacultdeSciencesdeTunis,poursesconseilsetsesencouragements.Ma reconnaissance va galement : J. ZINOUBI, T. NAFFOUTI, A. BEN SAID, H.SAAFIpourleuraideencequiconcernelemontagedesessaisexprimentauxralisen Tunisie. iii J'exprimetoutemagratitudeGuillaumePOLIDARIetAmenAllah GUIZANIdavoir accepte de participer ce jury tout comme aux rapporteurs Olivier FUDYM et Faouzi GHMARI davoir pris le temps dexpertiser ce travail. JetiensremercierparticulirementChadiMAALOUF,AmelBOUDJABI, pour leur amiti et les moments trs agrables passs ensemble. Dansmesremerciements,jenesauraisoublierlensembledupersonneldu GRESPI etdu dpartement Mesures Physiques del'IUT de REIMS. Jetmoignetoutemagratitudetoutemafamilleetenparticuliermes parents,masurAsmaetmonfrreAhmed,mesamisdemavoirsoutenueetaid pendant toute ma thse et surtout pendant la rdaction. Cest mon poux Ziad que jadresse mes remerciements les plus profonds, il a toujours cru en moi et sans lui je ne serais peut tre pas arrive l aujourd'hui. Je le remerciegalementpoursonsoutienindfectibleainsiquesapatiencetoute preuve mon gard. Je remercie enfin toutes les personnes, qui, de prs ou de loin, ont contribu laboutissement de ce travail. iv Table des matires Rsum Remerciements Table des matires Nomenclature ..... Introduction gnrale ................. Chapitre I : Analyse bibliographiqueI-1 Introduction........... I-2 Problmes de temprature des composants lectroniques.......I-3 Mcanismes de transfert de chaleur dans les systmes...............I-4 Evacuation de chaleur par convection............... I-4-1 Convection naturelle et mixte..................I-4-2 Convection force .................. I-4-2-1.Refroidissement parliquide avec ou sans changement de phase... I-4-2-2.Refroidissement par air................ I-5Mcanismes de transfert de chaleur dans les systmes................. Chapitre II : Description de l'outil numrique II-1Modlisation du domaine physique............. II-1-1Prsentation du prprocesseur GAMBIT ........... II-1-2Maillage............... II-1-3Qualit du maillage.............. II-1-4Conditions aux limites.............. II-2Equations de bilans.............II-2-1 Equation de continuit.............II-2-2Equation de Navier Stokes (bilan de la quantit de mouvement) ... i ii iv x 1 6 7 9 9 10 12 12 17 26 29 29 31 34 36 37 37 38 v II-2-3Equation de bilan de l'nergie ..... II-3Mthode et schma de discrtisation..... II-3-1Simulation numrique du domaine physique tudi par Fluent II-3-1-1.Prsentation du logiciel Fluent.. II-3-1-2.Mthode des volumes finis...... II-3-2Discrtisation........ II-3-3Linarisation des quations discrtises..II-3-4Facteurs de sous-relaxation.. II-3-5Critre de convergence.... II-4Dfinition du domaine fluide tudi... II-4-1Choix du Solveur.... II-4-2Spcification du fluide et des matriaux utiliss..II-4-3Initiation et convergence du calcul..II-4-4Indpendance du maillage.. II-5Conclusion....... Chapitre III : Dispositif exprimental et techniques de mesure II-1Description gnrale du montage..III-2Systme de dplacement..III-3Description du systme gnrant l'coulement.....III-4Anmomtrie fil chaud et fil froid... III-4-1Anmomtrie courant constant : CCA.. III-3-1-1.Mesure de la temprature... III-4-1-2.Technique de mesure adopte..III-4-1-3.Prparation de la sonde.. III-4-1-4.Etalonnage de la sonde fil froid... III-4-2Anmomtrie courant constant : CCA.. III-4-2-1.Mesure de la vitesse.... III-4-2-2.Prparation de la sonde et technique de mesure de la vitesseIII-4-2-3.Etalonnage de la sonde fil chaud.. III-5Acquisition et traitement des donnes.. III-6Thermographie infrarouge.... III-6-1Principe de la thermographie infrarouge.. 38 38 39 39 39 40 41 42 42 43 45 46 46 46 47 49 51 52 54 55 55 57 57 58 60 60 61 61 62 63 63 vi III-6-2Banc de thermographie infrarouge... III-7Visualisation de l'coulement...III-8Incertitudes de mesures... III-8-1Incertitude sur la temprature..III-8-2Incertitude sur la vitesse.. III-9Conclusion...... Chapitre IV : Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal IV-1Introduction.. ...IV-2Etude numrique.. IV-2-1Etude du cas sans dflecteur.... IV-2-1-1.Donnes gnrales... IV-2-1-2.Lignes de courant.... IV-2-1-3.Champ dynamique.. IV-2-1-4.Temprature de surface de la plaque et du bloc......... IV-2-1-5.Variation du coefficient d'change.. IV-2-2Influence de l'angle d'inclinaison d'un dflecteur transversal .. IV-2-2-1.Etude de cas o = 10...... IV-2-2-2.Etude de cas o = 40......IV-2-2-3.Comparaison des diffrents angles d'inclinaisons.... IV-2-3Influence de la distance e'' entre le dflecteur et le bloc.. IV-2-3-1.Donnes gnrales....IV-2-3-2.lignes de courant ......... IV-2-3-3.Champ dynamique.... IV-2-3-4.Temprature de surface de la plaque et du bloc.. IV-2-3-5.Variation du coefficient d'change moyen...IV-2-4Influence de l'emplacement du dflecteur.....IV-2-4-1.Lignes de courant..... IV-2-4-2.Champ dynamique...... IV-2-4-3.Temprature de surface de la plaque et du bloc.. IIV-2-4-4.Variation du coefficient d'change moyen... IV-2-5Influence de la vitesse d'entre Ue......IV-2-5-1.Lignes de courant...... 63 65 66 66 67 68 70 70 71 71 71 73 74 75 76 76 81 86 95 95 95 96 97 99 99 100 100 101 103 103 104 vii IV-2-5-2.Variation du coefficient d'change moyen.. IV-2-5-3.Variation du nombre de Nusselt en fonction du nombre deReynolds.......... IV-3Etude exprimentale..........IV-3-1Visualisation de l'coulement....... IV-3-2Cartographies thermiques........IV-3-3Champs moyens et fluctuants....... IV-3-3-1.Etude du cas sans dflecteur....... IV-3-3-2.Etude du cas = 30........ IV-3-4Coefficient d'change moyen....... IV-4Validation exprimentale du modle 3D de l'coulement dvi par undflecteur transversal........ IV-4-1Lignes de courant et visualisation de l'coulement..IV-4-2Champs dynamiques...... IV-4-3Champs thermiques... IV-4-4Temprature de surface du bloc et de la plaque... IV-4-5Coefficient d'change moyenIV-4-6Conclusion.......... Chapitre V : Etude de l'coulement dvi par deux dflecteurslongitudinaux V-1Introduction.......... V-2Etude numrique........... V-2-1 Influence de l'angle d'inclinaison ' des dflecteurs longitudinaux. V-2-1-1.Donnes gnrales....... V-2-1-2.Etude du cas o ' = 10...... V-2-1-3.Comparaison des diffrents angles d'inclinaisons V-2-2 Influence de la distance e' entre les dflecteurs et le bloc V-2-2-1.Introduction.......... V-2-2-2.Lignes de courant pour ' = 10.. V-2-2-3.Champ dynamique pour ' = 10. V-2-2-4.Temprature au niveau de la surface du bloc pour ' = 10 V-2-2-5.Variation du coefficient moyen d'change pour ' = 10 V-2-3 Influence de l'entraxe a'........ 105 106 108 109 111 112 113 116 121 122 123 124 127 130 132 133 135 135 135 135 136 140 147 147 148 148 150 150 151 viii V-2-3-1.Introduction.......... V-2-3-2.Champ dynamique pour ' = 10...... V-2-3-3.Temprature au niveau de la surface du bloc pour ' = 10V-2-3-4.Variation du coefficient local d'changepour ' = 10.. V-2-4 Influence de la hauteur H' des dflecteurs....... V-2-4-1.Introduction.......... V-2-4-2.Lignes de courant.......... V-2-4-3.Temprature au niveau de la surface du bloc pour ' = 10V-2-4-4.Variation du coefficient local d'changepour ' = 10.. V-2-5 Influence de la longueur L' des dflecteurs.. V-2-6 Influence de la vitesse d'entre Ue........ V-2-6-1.Lignes de courant......... V-2-6-2.Coefficient d'change moyen et temprature moyenne de la surface du bloc......... V-2-6-3.Variation du nombre de Nusselt en fonction du nombre de Reynolds.......... V-3Etude exprimentale............. V-3-1 Introduction ........ V-3-2 Visualisation de l'coulement....... V-3-3 Cartographies thermiques........ V-3-4Champs moyens et fluctuants....... V-3-4-1.Champ dynamique pour ' = 10.... V-3-4-2.Champ thermique pour ' = 10...... V-3-4-3.Structures fluctuantes de l'coulement..V-3-5Coefficient d'change moyen....... V-4Validation exprimentale du modle 3D de l'coulement dvi pardeuxdflecteurs longitudinaux V-4-1 Champs dynamiques....... V-4-2 Champs thermiques...... V-4-3 Temprature de surface du bloc et de la plaque....... V-4-4Variation du coefficient d'change moyen...... V-5Conclusion....... 151 151 153 153 154 154 154 155 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 167 179 170 173 174 174 178 180 183 183 ix Conclusion gnrale et perspectives....... Rfrences bibliographiques....... ANNEXES...... 185 190 196 x Nomenclature Notations latines SymbolesDnominationsUnits adiffusivit thermique m/s a'entraxe entre les deux dflecteurs longitudinaux m a''distance entre l'abscisse du bord d'attaque du dflecteur transversal et l'abscisse du bord d'attaque du bloc m blargeur du blocm b'longueur du blocm Cpcapacit calorifique pression constanteEtension dlivre par la sonde V Eincertitude sur la tension dlivre par la sondeV epaisseur de la plaquem emax distance maximale entre le dflecteur transversal et le blocm e'distance entre les dflecteurs longitudinaux et le blocm e'*distance de rfrence entre les dflecteurs longitudinaux et le bloc : e'* = '' e m/ e''distance entre le dflecteur transversal et le blocm ha coefficient d'change sur la face arrire de la plaqueWm-2K-1 hmoycoefficient d'change moyenWm-2K-1 hmoy Numcoefficient d'change moyen numriqueWm-2K-1 hmoy Exp coefficient d'change moyen exprimentalWm-2K-1 hxcoefficient d'change localWm-2K-1 Hhauteur du blocm H'hauteur des dflecteurs longitudinauxm H''largeur du dflecteur transversalm Id taux de fluctuation dynamique||||

\|=moy2dU' UI % xi It taux de fluctuation thermique||||

\|=a moy2etT T' TI % Llongueur de la plaque m L'longueur des dflecteurs longitudinauxm L''longueur du dflecteur transversalm llargeur de la plaquem Nu nombre de Nusselt moyensur du bloc NuL nombre de Nusselt moyen sur la plaque Prnombre de PrandtlQESAnombre de Skewness Rcoefficient de corrlation Rebnombre de Reynolds l'extrmit du bloc ReL nombre de Reynolds l'extrmit de la plaque Renombre de Reynolds la sortie de la buse de soufflage Rrsidus de convergence Tetemprature de l'coulement C Ttemprature de surface du blocC Tincertitude sur la temprature de surface du bloc C Ta temprature ambianteC Tmax temprature maximale de la surface du blocC Temaxtemprature maximale de l'coulementC Tmoy temprature moyenne de la surface du blocC T'fluctuation de la temprature de l'coulementC T sondeincertitude sur la temprature dtermine par la sondeC T CIRincertitude sur la temprature dtermine par la camra infrarouge C U, V, Wcomposantes de la vitesse de lcoulement suivant x, y et z m/s U', V', W'fluctuations de la vitesse de lcoulement suivant x, y et zm/s Uevitesse l'entrem/s xcoordonne longitudinale (depuis l'entre)m ycoordonne transversale (hauteur)m zcoordonne transversale (envergure)m xii Notations grecques SymbolesDnominationsUnits angle d'inclinaison du dflecteur transversal 'angle d'inclinaison des dflecteurs longitudinaux cart de temprature : = Te-TaC coefficient de dilatation thermique du fluide cart type sur la temprature Te : = ( )=Ni i2emoy eNT T C conductivit thermique du fluideWm-1K-1 masse volumique du fluide Kg/m3 viscosit dynamique du fluidePa.s viscosit cinmatique du fluide m/s densit de flux dgage par la rsistance chauffanteW/m moy densit de flux moyenne W/m Variables adimensionnelles SymbolesDnominationsUnits a'* entraxe adimensionnel entre les deux dflecteurs longitudinaux a''*distance adimensionnelle entre l'abscisse du bord d'attaque du dflecteur transversal et l'abscisse du bord d'attaque du bloc e''*distance adimensionnelle entre le dflecteur transversal et le bloc H'*hauteur adimensionnelle des dflecteurs longitudinaux L'*longueur adimensionnelle des dflecteurs longitudinaux

Introduction gnrale Introduction gnrale Introduction gnrale -2- Lesavancesdestechniquesdegravuredescircuitsintgrsetlvolutionde llectronique de puissance permettent davoir des composants de plus en plus petits. Depuis 20 ans, lensemble de ces technologies a t dvelopp ouvrant la voie de nouveaux champs dapplicationquivontdelaphysiquefondamentalelamicromcaniqueenpassantparla biologieetlachimie.Bienquercents,cesdomainescomptentdjdesralisations impressionnantes. Cette course vers la miniaturisation entrane de svres contraintes de fonctionnement pourcescomposants,etnotammentauniveaudelatempraturedefonctionnement.Pour fonctionnercorrectement,lescomposantsdepuissancedoiventavoirunetempraturede jonction infrieure une limite de fonctionnement spcifie par le fabriquant. L'tude du comportement thermique des composants lectroniques et des assemblages depuissancetientaujourd'huiuneplacecapitaledanslaconceptiondesfonctions lectroniquessoumisesenvironnementsvre.Unchauffementexcessifdgradeles performancesducomposant,rduitsaduredevieetpeutprovoquerladfaillance. L'tude du comportement thermique du composant aidera donc prvoir sa fiabilit, sa dure de vie et l'volution de ses performances dans le temps. Eneffet,denosjours,lescomposantsdepuissance(microprocesseurs,disquesdurs, barrettesmmoires,convertisseurdetension,)peuventdissiperplusieurscentainesde watts par centimtre carr. Ainsi, lvacuation de la chaleur est devenue le problme majeur rsoudrepourdvelopperlescomposantsminiaturissetaugmenterleurfrquence dutilisation. Il est donc primordial de concevoir des systmes nergtiques efficaces pour le refroidissement de ces composants afin dviter des surchauffes locales ou globales. Plusieursmthodesderefroidissementontttudiesdanslebutd'amliorerle transfertdechaleuretaugmenterlefficacitdessystmesderefroidissement.Parmices mthodes,ontrouvelesmthodesclassiquesderefroidissementparconvectionnaturelleet force avec des coulements gazeux et liquides. Il est noter que la convection naturelle est utilisepourlessystmesdefaiblepuissanceetdedensitsdefluxrduite.Le refroidissement des systmes de forte puissance et grande chelle ncessite une dissipation thermique plus leve, raison pour laquelle la convection force est la plus approprie dans la plupart des cas. Lerefroidissementparunliquidepeuttresoitmonophasique(latempraturedu fluideresteinfrieurelatempraturedesaturation),soitaccompagndunchange thermiqueparbullition.Toutefois,danslesdeuxcasonutiliseuncircuithydrauliquedans lequelcirculeunliquidecaloporteurentranparunepompequiemmagasinelachaleurau niveau du systme refroidir et la redistribue un dissipateur. Quoiquelerefroidissementdecertainscomposantsdefortepuissance (microprocesseurs, diodes laser) se fasse de plus en plus avec coulement dun liquide ou avecchangementdephase,lerefroidissementparcoulementdairdemeureencoretrs utilis. En effet, ce type de refroidissement est appropri pour des composants de moyenne et de faible puissance tels que le processeur des cartes graphiques, les disques durs, les racks de serveur, de rseau ou de tlcommunication. Il constitue lune des solutions nergtiques les plus conomiques. Introduction gnrale -3- Diffrentessolutionsonttadoptespouraugmenterlefficacitdunsystmede refroidissement air : La premire consiste greffer des ailettes offrant une plus grande surface de contact. Enlectroniquedepuissance,lesdimensionsdespanneauxailettessontengnral proportionnelles aux capacits des modules chauffants. Cela conduit concevoir des ailettes jusqu'100mmdelongueuret5mmd'paisseur.Bienqu'ilsoittrsrpanduenmicro-lectronique,leprincipeesttoujoursutilisenlectroniquedepuissance.Leprincipal inconvnient de cette techniqueest l'encombrement qu'elle introduit. Ladeuximesolutionpouraugmenterlefficacitdunsystmederefroidissement air, en particulier quand il ny a pas assez de place pour installer un radiateur ailettes ou un ventilateursurlecomposant,consisteimplanterdesdflecteursquijouentlerlede dirigeantsdel'coulementd'airdanslesbotierscontenantlescomposants.Cesdflecteurs guidentlefluxd'aircirculantdanslebotierversleszoneslespluscritiquessurlescartes. Ces solutions sont aussi prconises lorsquil sagit de refroidir des convertisseurs de courant oudetension.Cesdernierspeuventgnrerdeschampsmagntiquesquiperturbentle fonctionnementdespompesoudesventilateurss'ilstaientplacsproximitdes composants. C'estdanscecontextequenousallonsmenernotretude.L'objectifdecetravailde thse consiste donc tudier numriquement et exprimentalement l'influence de deux types de dflecteurs sur le transfert de chaleur et sur l'amlioration de refroidissement d'un lment chauff de forme paralllpipdique. Le prsent manuscrit s'organise autour de cinq chapitres et une conclusion : Faisantsuitecetteintroduction,lepremierchapitreestconsacrunesynthse bibliographique concernant les problmes d'vacuation de chaleur dus la miniaturisation et les diffrentes mthodes de refroidissement adoptes. Ledeuximechapitreprsenteledomained'tudeetladescriptiondeloutil numrique utilis. Cette partie estsuivie d'un rappel des quations qui rgissent l'coulement incompressible en rgime laminaire. Enfin une analyse du choix du maillage, des conditions aux limites et des critres de convergenceest dtaille pour un tel domaine. Dansletroisimechapitre,nousdcrivonslebancexprimentalmisenplaceetles diffrentestechniquesdemesuresutiliseslorsdecettetude.Nousexposeronsles problmesdemtrologieetnousdtailleronslescalculsd'incertitudepourcertaines grandeurs physique. Lequatrimechapitreproposeunetudenumriqueetexprimentalesurl'influence del'implantationd'undflecteurtransversalsurlastructuredel'coulementauxalentours d'un bloc chauff et sur le transfert de chaleur. Dans un premier temps, loutil numrique mis en uvre est dcrit, en mettant laccent surl'influencedecertainsparamtreslisaudflecteur.Ainsinoustudieronsplus Introduction gnrale -4- particulirementsoninclinaison,sonemplacementparrapportaublocainsiqueladistance entresafaceinfrieureetlasurfacedublocchauff.Lavariationdecesparamtresnous permetd'unepartd'observerlesperturbationsdel'coulementetlacrationdesvortex, d'autrepartdedterminerlesparamtresadquatspourunmeilleurrefroidissementde l'lment chauff. Dansunsecondtemps,nousexposeronsl'ensembledesrsultatsexprimentaux menslorsdecettethse,savoir,leschampsmoyensetfluctuantsdevitesseetde temprature(obtenusparanmomtriefilchaudetfilfroid),lavisualisationdela structuredel'coulement(ralisel'aided'unplanlaser)etlescartographiesthermiques (obtenues par camra infrarouge).

La dernire partie de ce chapitre est consacre la validation de l'outil numrique. Lecinquimechapitretraitenumriquementl'influenced'unenouvelleconfiguration quiconsisteimplanterlongitudinalementdeuxdflecteursenamontdublocchauff. Plusieursparamtresferontl'objetd'uneanalysedtaillesavoir:l'inclinaisondesdeux dflecteurs longitudinaux,leurs dimensions (hauteur et longueur), leur espacement ainsi queleur position par rapport au bord d'attaque du bloc. Cettetudenumriqueserasuivied'uneinterprtationdesrsultatsexprimentaux (champsmoyensetfluctuantsdevitesseetdetemprature,visualisationdelastructurede l'coulement et cartographies thermiques). Enfin, nous procderons la validation du modle numrique. Finalement,laconclusiondecemanuscritseraaccompagned'unensemblede perspectives retenir pour des dveloppements futurs. Chapitre 1 Analyse bibliographique Analyse bibliographique -6- I-1Introduction Suiteaux progrs technologiques rcents en lectronique, les composants deviennent deplusenpluspuissantsetdeplusenpluspetits.Enconsquence,lachaleurvacuer devienttrsimportantedansledomainedel'lectronique.Eneffet,denosjours,les composantsdepuissance(microprocesseurs,disques durs, barrettes mmoires, convertisseur detension,)peuventdissiperplusieurscentainesdewattsparcentimtrecarr.La surchauffedescomposantsrduitleurduredevieetpeutprovoquerdescontraintesde fonctionnement.Unebonnevacuationdelachaleurestdoncprimordialepourassurerle fonctionnement et la fiabilit de ces dispositifs [1, 2]. Le besoin damliorer les techniques de refroidissement des composants lectroniquesfaibleetfortepuissancealargilechampdelarechercheconcernantletransfert thermique au niveau de ces derniers, en particulier sur : latempraturemaximaledejonction(audeldelaquelleilyadestructiondu composant ou non fonctionnement),larsistancethermiquedecontact(exprimeenC/W)quiquantifielafacilit d'vacuation du flux thermique du composant vers le botier ou le substrat,lacapacitthermiquequichiffre"l'inertie"thermiqued'uncomposantsoumisun rgime transitoire. Les technologies de la microlectronique dveloppes depuis plusieurs dcennies ont permisderduirelatailledescomposants,etdaugmenterleurdensitdanslescircuits intgrs. Si, en 1958, il n'y avait qu'un seul transistor par circuit intgr, de nos jours, il y'en a des millions. Au dbut des annes 80 et aprs avoir considrablement diminu les dimensions des composants, les lectroniciens ont intgr sur une mme plaque en silicium, les capteurs, les actionneurs, les lments mcaniques, engrenages et moteurs. CetensembleappelMEMS(MicroElectro-MechanicalSystem)faitappelpoursa fabricationauxmicrotechnologies[3],quipermettentuneproductiongrandechelle.Les annes90onttmarquesparlmergencedesMEMSsurdesmarchsindustrielsde grandsvolumescommelautomobileoulapri-informatique.Desusinesdesemi-conducteurs ddis la production de MEMS furent construites par des entreprises telles que Bosch ou Motorola. Aujourd'hui, loffre des MEMS concerne des domaines aussi varis que la dfense, le mdical, l'lectronique, les communications et l'automobile,

Il est noter, quen 20 ans, lvolution des MEMS a t extrmement importante sur deux points essentiellement :

-Les niveaux dintgration sont de plus en plus pousss et les systmes sont de plus en pluscomplexes.Lafrontireentremicro-lectroniqueetmicrosystmestend sestomper,lindustriemicrolectroniquesenrichipardesfonctionsinitialement dvolues aux microsystmes. -LesMEMSsontpartout.90%desmarchsdesMEMSsontdanslautomobile(les capteursdepressionpourlinjectiondecarburantdanslescylindresdunmoteur,et galementdanslesrouespourdtecterlescrevaisons),lesttesdinjection dimprimantes,ladomotique...Maisdautressecteurstrsprometteurspourles Analyse bibliographique -7- MEMSsontencoursdmergence.IlfautciterlabiologieolesMEMS rvolutionneront trs probablement lanalyse biologique en permettant des millions de tests unitaires en moins dune seconde. En optique, les microgyromtres quipent les camras vido qui dtectent les tremblements du cinaste et commandent la correction automatique. Depuislanaissancedecesdispositifsminiaturiss,disposerdunesourcednergie suffisanteestunchallengepermanent.Lurgenceetlintrtontencoregrandidansles annes 90-95 avec le dveloppement des microsystmes embarqus [4, 5], des microsystmes rpartis [6, 7], des systmes de surveillance I-2Problmes de temprature des composants lectroniques L'augmentationdelafrquencedefonctionnementetl'explosiondeprojetsde miniaturisation a engendr plusieurs problmes dus l'augmentation considrable du flux de chaleurgnrparlescomposantslectroniques.Silachaleurn'estpasdissipeentemps voulu,latempraturedejonctionserasuprieurlatempraturedefonctionnement maximale mentionne par le constructeur, le contrle thermique devient donc de plus en plus complexe. M.REBAYetal.[8]ontmontrparthermographieinfrarougequelatemprature globaled'unmicroprocesseurnerefltepaslatopographiethermiquerelledelapuce intgre.CommelemontrelafigureI-1,unepartiedgageplusdechaleurquelesautres. Cestcequelonappelleunpointchaud("hotspot"),reprsentenrougesurlafigure.J. DonaldetM.Martonosi[9]parlentdunediffrencedetempraturede lordre de 5 25C, entrelatempraturemoyenneetlepointlepluschaud.Cespicsdetempraturerisquentde causer de graves dgts sur une zone prcise du processeur. L'influence de la temprature se manifeste sur : -Lesperformanceslectriques:latempraturepeuttreunevaleurlimiteau-delde laquellelefonctionnementn'estplusgaranti,desdrivesdesparamtresprovoquent une diminution des performances pouvant aller jusqu' la dfaillance. -Lepackagingsoumisdesgradientsdetempraturetrsimportants.Ilexistedes tempraturescritiquespourlesquellesseproduisentdeschangementsd'tat,de structure physique. Le fluage et le relchement des contraintes dans les matriaux sont acclrs par la temprature et peuvent conduire des ruptures d'lments. -Lescyclesthermiques,auxquelssontsoumisdesmatriauxrelisentreeuxetde coefficientdedilatationdiffrent,induisentdesforcestrsimportantesquipeuvent conduireuneruptureinstantaneoucrerunefatiguequiprovoqueunerupture long terme. Analyse bibliographique -8- (1) : Image dune carte mre (2) : Thermographie infrarougeFig I-1 : Echauffement dun microprocesseur dans son milieu de fonctionnement [8] Le packaging et la gestion thermique dans les quipements lectroniques sont devenus desenjeuximportantsenraisondelaugmentationdesniveauxdepuissanceetdela miniaturisationdesdispositifs.Avecl'arrivedeconditionnementsplusdensesetdes frquencesdefonctionnementplusleves,lecot,lafiabilitetlatailleonttamliors, mais, la gestion thermique n'a pas suivi suffisamment cette volution. Lvolution des techniques de refroidissement est troitement lie l'augmentation de lapuissancethermiqueetdelacomplexitdescircuitslectroniques.Latendancede l'industrielectroniquededissiperplusdepuissancedansdepluspetitsmodulesacrdes dfisdegestionthermiquecroissants.Ladensitdefluxatteintles50W/cmdansles nouvellesgnrationsdemicroprocesseurs,quantauxconvertisseursd'lectroniquede puissance leur volume s'est vu rduire d'une manire importante. Eneffet,depuislapparitiondesIGBT(InsulatedGateBipolarTransistors),les convertisseurssontcapablesdefonctionnerhautefrquenceavecdesdensitsdeflux pouvantatteindre400W/cm(unIGBTdetaille12x12mmpeutdissiper680W)touten conservantdesvaleurslevesdecourantetdetension.Lesdiodeslaserquantelles dissipent500W/cmetplus.Denosjours,lesfuturesexigencesthermiquessont soigneusement tudies. La figure I-2 prsente lvolution de la puissance thermique dissipe pour un transistor (FETS et IGBTS) et un conducteur Smart. Nous notons une augmentation considrabledelapuissancethermiquedissipeparlestransistors.Nousremarquons galement, une complexit de plus en plus importante de systmes embarqus. Analyse bibliographique -9- Fig I-2 : Evolution de la puissance thermique dissipe pour un transistor(FETS et IGBTS) et un conducteur Smart [56, 57, 58]. I-3Mcanismes de transfert de chaleur dans les systmes Afindemaintenirsatempraturedansdeslimitesolaperformanceetle fonctionnementnesontpascompromis,lerefroidissementduncomposantgnrantdela chaleurestessentiel.Dunemaniregnrale,untransfertdechaleuralieupartrois mcanismes qui sont la conduction, la convection et le rayonnement. En matire dvacuation dechaleurparconduction,latechniquedesplaquesdefibresdecarboneorientes (conductionanisotrope)estincontestablementlaplus performante, mais ce jour rserve laronautiqueetauspatialpourunequestiondecot.Plususuellement,lachaleurest transmise lair ambiant par des radiateurs et des ventilateurs. Silachargethermiqueimposelairambiantesttropimportante,onconfinecette chaleur directement dans un fluide caloporteur par lintermdiaire dun changeur de chaleur. Letransfertdechaleuraufluiderfrigrantpeutalorsfonctionnersoitenmode monophasiqueenutilisantunliquideouungaz(eausimple,eau+glycol,CO2...),soiten mode diphasique (C4 F10, glace binaire (mlange deau, mthanol et glace)...) I-4Evacuation de chaleur par convection En1994,Kaka,YurucuandHijikata[1]onttudidiffrentesmthodesde refroidissement dans le but d'amliorer le transfert de chaleur. Parmi ces mthodes, on trouve les mthodes traditionnelles de refroidissement par convection naturelle et force.Ilestnoterquelaconvectionnaturelleestutilisepourlessystmesdefaible puissanceetdedensitsdefluxrduite[10].Lerefroidissementdessystmesdeforte Analyse bibliographique -10- puissanceetgrandechellencessiteunedissipationthermiqueplusleve,raisonpour laquelle la convection force est la plus approprie dans la plupart des cas.

I-4-1 Convection naturelle et mixte Parmilestravauxralissdanscedomaine,onpeutciterl'tudemeneparIcozet Jaluria [11] qui ont fait une simulation numrique de la convection naturelle bidimensionnelle dansuncanalrectangulaireouvertetcontenantdessourcesdechaleur.Leursrsultats montrentquelesdimensionsducanaletlaprsencedesouverturesontdeseffets considrables sur lcoulement mais trs peu deffet sur le transfert de chaleur. D'autrestudesnumriquesonttfaitessurdesgomtrieslmentaires(canal vertical) pour dterminer le transfert de chaleur par convection naturelle [12, 13, 14].Danslebutd'examinerlesdiffrentsaspectsdescoulementsnaturelslaminaireset priodiquesrencontrsdanslesproblmesderefroidissementlectronique,Kelkar[15]a menunetudenumriquedansuncanalvertical.Surl'unedesparois,sontmonts successivementdesblocschauffs.L'coulementpriodiqueascendants'alimentedel'air chaud gnr par le premier bloc ce qui augmente la temprature de l'coulement en passant d'un bloc un autre. Afindecalculerl'coulementautourd'unseulblocchauffavecdesconditionsaux limitespriodiques,uneformulationmathmatiqueavecdcompositionduchampde temprature linaire et priodique a t propose dans ce cas par Kelkar [15] et a t insre dans le code de calcul Fluent. De mme, M. Fujii et al. [16] ont tudi exprimentalement et numriquementletransfertdechaleurparconvectionnaturelled'unensembledecircuits intgrs.LesquationsdeNavier-Stokes,l'quationdel'nergieetnotammentl'quationde lachaleurdanslesplaquesonttrsoluesen2DavecunnombredeGrashofvariantde2.3 103 8.8 105 et un facteur de forme L = hl variant de 8 30. Les auteurs ont trouv unecorrespondanceentrelesrsultatsnumriquesetexprimentauxsaufpourL=30o l'effet d'un coulement 3D est signifiant. Rcemment,Desrayaud[17]aralisunetudeparamtriquesurunsystmeen2D constitudecanauxparalllesavecuneseulesourcedechaleur.Lesystmesimulele refroidissement d'un ensemble de circuits imprims (PCB) avec des modules chauffs placs lasurfacedescircuits.Lasolutionatcalculesimultanmentdanslesolide(moduleet substrat)etdanslesrgionsdefluideen tenant compte de la continuit de la temprature et du flux de chaleur aux interfaces solide-liquide. En raison de limitation des modles en 2D dans les applications lectroniques, le cas classique de sources de chaleur a t ensuite explor avec des modles numriques en 3D. En 1995,Heindel,RamadhyanietIncropera[18]ontdveloppdesmodles2Det3Dpourle calcul d'un coulement naturel laminaire dans une cavit verticale contenant plusieurs sources chauffes places sur l'une de ses parois. Les rsultats numriques ont t compars avec les mesuresdelatempraturedechauffeetlavisualisationdel'coulement.Unebonne concordanceatnoteaveclemodle3D.Cependant,lemodle2Dasurestimla temprature du substrat. Plusieursrecherchesonttmenessurlerefroidissementdesmoduleschauffsen convectionmixte.Kimetal.[19]onttudinumriquementlaconvectionmixtedansun Analyse bibliographique -11- canalcontenantdessourcesdechaleur.Ilsontremarququeleshypothsestrop simplificatricesnesontpasappropriespoursimulerlerefroidissementdesquipements lectroniques. M.MRahmanetal.[20]ontmenunetudenumriqueen3Dsurletransfertde chaleurparconvectionmixtedans4moduleschauffsimplantssurlasurfaced'unecarte lectronique(figureI-3).Lesmodulessontexpossdeuxtypesd'coulement :un coulementdeconvectionforcedansladirectionhorizontaleetuncoulementde convection naturelle dans la direction verticale. Fig I-3 : Schma des 4 modules chauffs monts sur la plaque [20] LesauteursontmontrquelavariationdunombredeNusseltestfortementlieau nombre de Richardson (tableau1). Pour Ri 2,5, ils ont constat que les particules fluides se dplacentprimordialementdansladirectiondel'coulementforc(horizontal).Le mouvementverticalliauxforcesdeflottabilitestlimitauxzonesstagnantesentreles modules 1, 2 ainsi que 3 et 4, o Ri = Gr/ (Re). avec Gr : nombre de Grashof Tableau 1 : Nombre de Nusselt pour 4 modules chauffs [20] Analyse bibliographique -12- Parlasuite,IcozetJaluria[21]ontlaborunemthodologiepourlaconceptionet loptimisationdessystmesderefroidissementdesquipementslectroniques.Danscette approche, les donnes exprimentales ou de simulation numrique, notamment le nombre de Reynolds et la taille des composants, ont t utilises pour obtenir une conception thermique acceptable et optimale. De plus, Dogan et al. [22] ont tudi exprimentalement la convection mixte dans un canalcontenantdessourcesdechaleurenbasetenhaut.Ilsontmontrquelaforcede buoyancy(flottabilit),ledbutdelinstabilitetlamliorationdutransfertdechaleursont directement lis aux nombres de Grashof et de Reynolds. I-4-2 Convection force I-4-2-1.Refroidissement parliquide avec ou sans changement de phase Lamthodederefroidissementlaplusutiliseactuellementestlaconvectionforce quipeuttresimpleoudoublephase.Dansledomainedel'lectroniquedepuissance, l'utilisationdethermosiphonsdiphasiquesoucaloducsassistspargravitestlargement rpandue. La chaleur mise par le semi-conducteur est vacue par un ou deux vaporateurs contre lequel il est plaqu. La condensation est assure par convection force d'air. Le concept de microcanaux a t introduit vers les annes 80 par Tuckerman et Pease [23].Pourdterminerlesperformancesderefroidissementdescomposantslectroniques laideduncoulementliquidetraversdesmicrocanauxsanschangementdephase, ils ont fabriquunchangeurde1cmensilicium,composdecanauxetd'ailettesde0,05mmde largeuretdehauteur0,3mm,soit50canauxentout.Cesmicrocanauxpermettentune dissipation thermique de lordre de 800 W/cm.Ces rsultats ont montr que le coefficient de transfertthermiqueduncoulementlaminairetraverslesmicrocanauxestplusimportant que le coefficient de transfert thermique travers les canaux de taille conventionnelle. Plusieursrecherchesonttmenesafindtudierletransfertthermiqueconvectif monophasiqueenutilisantleau[24,25,26],leauionise[27,28]etlemthanolcomme fluide de fonctionnement. En1990,Pfahleretal. [29] ont continu cette tude, ils ont prsent des mesures du coefficientdefrottementpartirdesdiffrentestudesexprimentalessurdescoulements liquidesdanstroiscanauxdefaiblesectionrectangulairestalantde807200m. Lisopropanol(liquidepolaire)taitlepremierliquidedefonctionnement.Leursobjectifs taientdedterminerl'chelledelongueurendessousdelaquellel'hypothsedecontinuit n'estplusvalableetdevrifierlaconcordancedesquationsdeNavier-Stokesavecle comportementobservdelcoulement. Ilsontmontrque,pourlescanauxlarges,leurs observations concident avec les rsultats dduits des quations de Navier-Stokes. Cependant, pour les canaux de taille plus faible, une dviation considrable est note. Pfahleretal.[30,31]ontmendautrestudespourmesurerlecoefficientde frottement pour des coulements liquides (alcool isopropyle, huile de silicone) circulant dans des tubes de faible taille paroi en silicium dpaisseur 0,5 50 m et ont montr que, pour l'alcoolisopropyle,lecoefficientdefrottementdpendaitdesnombresdeNusseltetde Reynolds. Ils ont remarqu une diminution du coefficient de frottement due la rduction de Analyse bibliographique -13- laviscositapparenteduliquideaveclarductiondesdimensionscaractristiquesde lcoulement. PengetWang[32]ontgalementmenunetudeexprimentalesurlaconvection force dun coulement deau et de mthanol dans des microcanaux sections rectangulaires. Ils ont constat que le transfert thermique en rgime laminaire et dans la zone de transition est influencpar la taille du canal. Fig I-4 : Gomtrie d'un microcanal et emplacement du module chauff [35] Plus tard, Peng et Peterson [33, 34, 35] ont men des recherches exprimentales sur le transfertthermiquedeconvectionforcemonophasiqueetlescaractristiquesdun coulement deau dans des microcanaux rectangulaires (figur I-4) de petite taille, de diamtre hydrauliquecomprisentre0,133-0,367mmetdediffrentesconfigurationsgomtriques. Ils ont montr linfluence de ces diamtres sur le transfert thermique. Ils ont not, aussi, que laformedescanauxnapasdinfluencesurlesrgimesd'coulement(laminaireou turbulent).Cependant,ilsontconstatqueletransfertthermique,enrgimelaminaire, dpend du rapport du diamtre hydraulique sur la distance qui spare les microcanaux. Ensebasantsurlesrsultatsdjcits,Malaet Li [27] ont men des tudes sur des tubesdediffrenteslongueursetdediamtreintrieurcomprisentre50et254m.Ilsont tudileffetdeladoublecouchelectrique(modledcrivantlavariationdupotentiel lectriqueauxabordsd'unesurface)surlasurfacesolide,letransfertthermiqueet lcoulementduliquidedanslesmicrocanaux.Ilsontnotqueladoublecouchelectrique modifielesprofilsdevitesseet diminuelavitessemoyennecequientraneune augmentation de la chute de pression et une diminution du taux de transfert thermique. Weilin,MalaetDongqinq[36]onttudil'coulementdansdesmicrocanauxde section trapzodale dont les diamtres hydrauliques sont compris entre 51 et 169 m, et ont misenvidenceunediffrencesignificativeentrelesrsultatsexprimentauxetlathorie, quivadanslemmesensquelestudesprcdentes.Ilsproposentalorsunmodle comportemental rugosit/viscosit afin d'interprter ces diffrences. Analyse bibliographique -14- Lesquestionsfondamentaleslieslaprsencedel'bullitionnucleetles caractristiquesdel'coulementdanslesmicrocanauxetlesminicanauxencomparaison ceux de taille conventionnelle (3 mm et plus) ont t abordes par S.G. Kandlikar [37]. Celui-ciagalementtudil'effetdelagomtriedel'changeurdechaleur(figuresI-5)sur l'amlioration du transfert de chaleur et de la chute de pression. LafigureI-6illustrelacomparaisond'uncoulementd'eau(200kg/msdansdes canaux de 2 x 4 mm) avec une configuration plusieurs canaux et une configuration canal unique.Kandlikaramontrquelecomportementoscillatoirel'intrieurdescanauxest primordialpourl'amliorationdutransfertdechaleur.Ilestnoterquelecoefficient d'changethermiqueestplusfaiblepourlesmicrocanaux1x1mmquepourles microcanaux de dimension 2 x 4 mm Rcemment,WuetCheng [38]onteffectudesrecherchesexprimentalessurle transfertthermiqueconvectifetsurlachutedepressiondeleaud-ionisedansplusieurs microcanauxdeformetrapzodaleensiliciumayantdiffrentsparamtresgomtriques, rugositdesurfaceetdespropritshydrophilesdeparoi.Ilsontmontrquelenombrede Nusselt et le coefficient de frottement dpendent considrablement des diffrents paramtres gomtriques : ils augmentent avec la rugosit de la paroi et ils diminuent corrlativement les propritshydrophilesdelaparoi.Decefait,lenombredeNusseltetlecoefficientde frottement,dansdesmicrocanauxayantdesparoishydrophilesdures(paroisenoxyde thermique)sontplusimportantsqueceuxdesmicrocanauxayantdesparoisfragiles(parois ensilicium).WuetChengontmontraussiquelenombredeNusseltaugmentequasi-linairementpourdefaiblesvaleursdunombredeReynolds(Re70%)avecune rponsespectralede3,4m5m. LaSC1000estquiped'unsystmed'intgration instantanevariablede1s10msetd'unevitessed'imagesparsecondeallantjusqu'50 images/s en mode pleine vitesse. Lesystmed'acquisitionestconupourtransformeruneimagecaptedansle domaine infrarouge en fonction de la luminance de l'objet observ, en une image visible. Les cartographiesthermiquessontstockesettraitesentempsrelgrceaulogiciel "ThermaCam Researcher" qui permet:-De traiter les images statiques,-De traiter des vidos et les donnes infrarouges en temps rel, -De traiter et d'analyser les donnes numriques infrarouges trs grande vitesse. Dispositif exprimental et techniques de mesure -65- III-7Visualisation de l'coulement Pour la visualisation de l'coulement, nous avons utilis une technique dillumination delcoulementparplanLaser.GrceauxpropritsoptiquesduLaser,ilestpossiblede raliserunenappedelumireextrmementfineetintensequiestmiseprofitpourune observation bidimensionnelle des coulements. LaserNappe LaserSoufflerieDiffuseur de fume Fig.III-17 : Dispositif de visualisation de lcoulement Lesystmedevisualisationquenousavonsadoptauseindulaboratoire comprend (Fig.III-17) : -Un Laser He-Ne 35mW, -Undiffuseurdefume(unevapeurdeglycoldosedesortes'approcherdes caractristiquesdel'air)sansdptniodeur,d'undbitde28m3parseconde,est placlentredusystme.Ainsi,lafumedgagepasseparaspirationdansla Dispositif exprimental et techniques de mesure -66- soufflerie et grce aux grilles et aux nids d'abeilles de cette dernire, elle est introduite sans perturber lcoulement. -Unecamranumriquepermetdefilmerlcoulementauniveaudublocetdes lments perturbateurs. III-8Incertitudes de mesures Quelque soit le systme de mesure utilis, la vraie valeur d'une grandeur physique ne peut qu'tre approche. Elle est toujours pondre d'un intervalle de tolrance reprsentant les incertitudes de mesure. Les mesures exprimentales ne peuvent donc tre considres comme valablesquedansundomaineplusoumoinsrestreintetavecuneprcisionplusoumoins grande.Nousdtaillonsdansceparagraphelesincertitudesabsoluesourelativespourles diffrentesgrandeursmesuresdirectementouindirectement.Cesincertitudesprennenten compteleserreursalatoiresetsystmatiquesduesauxcapteurseux-mmesainsiqu' l'talonnage. III-8-1Incertitude sur la temprature Lors de l'talonnage de la sonde, la temprature de l'air chauff dans la soufflerie a t dtermineparunthermocoupledetypeK.Enserfrantlanoticedufabriquant, T= 0,5 C. L'incertitudesurlatempraturelorsdesmesuresestdterminepartirde l'incertitude sur la tension aux bornes du fil sensible de la sonde : ( )0Ct -TE=[Eq.III-11] avec Ct0 = E0 0sondeCt EETT= [Eq.III-12] La tension E est dtermine l'aide d'un voltmtre numrique, son incertitude absolue est gale 10-3 mV. Nous obtenons alorsTTsonde= 0,14 %. Pour notre tude, l'incertitude que nous allons retenir est T sonde = 0,5 C. Toutefois, l'incertitude sur l'cart de temprature = T Ta peut s'crire :( ) asondeT TT= [Eq.III-13] L'incertitudesurlatempraturesurfaciquedtermineparlacamrainfrarougeest donne par le constructeur telle que CIRCIRTT = 2 %.Dispositif exprimental et techniques de mesure -67- III-8-2Incertitude sur la vitesse Lorsdel'talonnage,lavitessedel'coulementat dtermine par un tube de Pitot reli un manomtre. Pourunfluideincompressible,lquationdeBERNOULLInousdonneune expression de la pression totale au point darrt du tube de Pitot : pt = ps + 21 U2[Eq.III-14] o : est la masse volumique de lair, ps est la pression statique, pt est la pression totale. Ce qui nous donne :U = p 2[Eq.III-15] avec p = pt - ps LadiffrencedepressionpeutsexprimerlaidedelahauteurmanomtriqueH deau mesure, telle que :p = eau g H Ainsi, la vitesse peut s'crire :U = H 2eau 4H [Eq.III-16] Sachant que l'incertitude sur la hauteur manomtrique est dtermine directement sur le manomtre, l'incertitude sur la vitesse dpend des valeurs de la vitesse.U = 21 (H) . U[Eq.III-17]

LetableauIII-1prsentelesvariationsde UU enfonctiondesvitessesquenous avons choisi pour l'tude exprimentale. Ue (m/s)U/U (%) 0,811 23 31,1 41 Tableau III-1 : Variation des incertitudes relatives sur la vitesse Dispositif exprimental et techniques de mesure -68- Lincertitude thorique sur les vitesses de l'coulement, dtermines par la sonde lors des mesures, est calcule partir de l'quation III-5 : E = E0 + B * U1/2,[Eq.III-18] Ln (E - E0) = 21 Ln U,[Eq.III-19] 204E EEUU=[Eq.III-20] % 2 , 0 =UU [Eq.III-21] Nous retenons pour la suite de l'tude exprimentale, les incertitudes du tableau III-1 relatives la vitesse de l'coulement.

III-9Conclusion Dans ce chapitre, nous avons prsent le montage exprimental mis en place. Ensuitenousavonsdcritlesdiffrentestechniquesdemesuresemployespourladterminationde la temprature, la vitesse et la structure globale de l'coulement. Enfin, nous avons dtermin les incertitudes de mesure lies aux grandeurs physiques mesures.

Chapitre 4 Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal Etude de l'coulement dvi par deux dflecteurslongitudinaux -70- IV-1Introduction Nousprsentons,danscechapitre,l'influencedel'implantationd'undflecteur transversalsurl'coulement.Laplaqueestplacel'entred'uncoulementd'airdevitesse uniforme.Surcetteplaqueestmontunblocchauff(composantlectronique).Les dflecteurssontmaintenusaudessusdelasurfacedublocchauffetfixssurlaplaque isolantel'aidedesupportsdefaiblesdimensions,guidantainsilefluxd'airde refroidissement vers le bloc. Dans une premire partie, nous prsentons l'tude numrique relative l'influence du dflecteurtransversalsurl'aspectde l'coulement et sur le transfert de chaleur aux alentours du bloc chauff. Danslasecondepartie,nousprsentons,enpremierlieu,lavisualisationde l'coulement perturb par l'implantation du dflecteur. En second lieu, nous dtaillons l'tude exprimentale des champs moyens et fluctuants de la vitesse et de la temprature. IV-2Etude numrique Pourlamodlisationnumrique,nousavonsutilislecodedecalculFluentqui adoptelamthodedesvolumesfinispourrsoudrelesquationsdeNavier-Stokesetde lnergie dans le domaine dtude. Cetravailateffectuen4tapesafindedterminerl'influencedequatre paramtres (figure IV-1)sur la structure de l'coulement et sur l'change convectif, savoir : 1-L'inclinaison du dflecteur transversal, 2-La distance e'' entre la face infrieure du dflecteur et la surface du bloc, 3-La distancea'' entre le bord d'attaque du dflecteur et le bord d'attaque du bloc, 4-La vitesse d'entre Ue de l'coulement d'air. Nousavonschoisi,pourlasuiteunevitesseincidenteUe=0,8m/s,unedensitde flux de chaleur la base du bloc = 1400 Wm-2 et un coefficient d'change convectif sur la face arrire de la plaque ha gal 5 Wm-2K-1. Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -71- lLLUe, TaUe, TahayxobHzxobHea Fig.IV-1 Schma du domaine avec dflecteur transversal IV-2-1Etude du cas sans dflecteur

IV-2-1-1.Donnes gnrales Noustudions,dansunpremiertemps,l'coulementlelongd'uneplaqueplanesur laquelleestfixunblocchauffdelongueurb',delargueurbetdehauteurH.Ceciva constitueruncasderfrencepournouspermettreensuitedemettreen vidence l'influence du dflecteur sur l'coulement et le transfert de chaleur. IV-2-1-2.Lignes de courant La reprsentation des lignes de courant dans le plan mdian (z = 0) est illustre sur la figure IV-2. Ces lignes de courant montrent la prsence d'une zone de recirculation en amont du bloc, qui est de petite taille par rapport la hauteur du bloc. En aval du bloc, on observe une structure tourbillonnaire d'axe parallle z (voir aussi figure IV-2).

eEtude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -72- Fig.IV-2 : Lignes de courant de l'coulement dans le plan mdian Fig. IV-3 : Lignes de courant de l'coulement dans le plan horizontal y = - 3 mmde la surface du bloc SurlafigureIV-3nous prsentons les lignes de courant de l'coulement dans le plan xoz pour une ordonne y = -3 mm (l'origine des y tant la surface du bloc). On observe bien lerouleautourbillonnaireenamontdubloc,quis'taletoutaulongdubordd'attaqueet disparatens'approchantdesfaceslatrales.Parailleurs,enavaldubloc,nousnotons l'existence de trois structures tourbillonnaires : deux rouleaux contrarotatifs perpendiculaires la direction de l'coulement, sont spars par un rouleau d'axe transversal dj repr sur la figure IV-2 dont la hauteur n'excde gure celle de l'obstacle. CetteanalyseestconfirmeparlafigureIV-4,quiillustrelesvecteursvitessedans diffrentes rgions. On retrouve en fait les mmes caractristiques classiques de l'coulement autour d'un obstacle paralllpipdique (rouleau amont et sillage).Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -73-

(a)(b)

(c) (d) Fig.IV-4 : Vecteurs vitesse en aval du bloc chauff dans les plans x0y situs respectivement z = 0 (plan mdian) ; z = 20 mm ; z = 30 mm ; z = 35 mm IV-2-1-3.Champ dynamique SurlafigureIV-5,nousprsentonslavitessedel'coulementlelongdelaplaque dansleplanmdian(z = 0 mm) et ceci diffrentes distances y au-dessus de la surface du bloc. Cette figure montre trois volutions diffrentes : -Enamontdublocchauff(x50),lavitessetendverslavaleurimposemesurequex augmente. NousretrouvonscestroiszonessurlafigureIV-11(b),pourdesvaleursdey suprieurese''(e''=14,7mm).Toutefois,lavitessediminueauxalentoursdudflecteur mais augmente par la suite en fonction de x avant d'atteindre une valeur constante. Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -79- -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 800,00,20,40,60,81,01,2y = 2 y = 4y = 6U (m/s)x (mm)bbord de fuite du dflecteur (a) (en dessous du dflecteur) -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 800,00,40,81,2 y = 12y = 15 y = 18y = 20U (m/s)x (mm)bbord de fuite du dflecteur (b) (au-dessus du dflecteur) Fig.IV-11 (a) et (b) : Distributions axiales de la vitesse dans le plan mdian ( = 10) IV-2-2-1.cTemprature de surface de la plaque et du bloc LafigureIV-12prsentelavariationdelatempraturesurfaciquedublocetdela plaque (en amont et en aval du bloc) en fonction de x et diffrentes positions : z = 0 ; 10 ; 15 ; 20 ; 25 et 30 mm. Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -80- Pour x < 0, la temprature de la plaque augmente et atteint un pic (T =31 C dans le plan mdian) x = 0. Au niveau du bloc 0 < x < 50, la temprature augmente progressivementetpasse par un maximum (T = 42 C dans le plan mdian) x = 35 mm, puis diminue quand x augmente. En comparant avec la figure IV-6, nous remarquons que la prsencedu dflecteur transversal permetdediminuerlatempraturesurfaciquedublocetd'augmentergalementl'change convectif. Enrevanche,nousremarquonslarductiondupicx=50mmparrapportaucas sans dflecteur. Ceci est d essentiellement, l'coulement frais qui alimente l'aval du bloc et qui est gnr par les deux rouleaux contrarotatifs latraux(figure IV-9). -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 7020304050 Z = 0 Z = 10 Z = 15 Z = 20Z = 25Z = 30 x (mm)T (C)bord de fuite du dflecteurb Fig.IV-12: Variations de la temprature de surface de la plaque et du bloc pour diffrentes coordonnes transversales z ( = 10) IV-2-2-1.dVariation du coefficient d'change convectif Les variations du coefficient dchange local en fonction de x sont reprsentes sur la figure IV-13. Un premier aperu montre que hx dpend peu de z. En amont du bloc,nous notons des valeurs faibles du coefficient d'change local avec une augmentation progressive partir de x = -2 mm. Auniveaudelasurfacedubloc(0x50),lecoefficientd'changelocalhxest maximal x = 0 mm pour toutes les coordonnes transversales z et diminue par la suite au fur etmesurequexaugmente(hx=30Wm-2K-1).Nanmoins,lavaleurmaximaledehxest Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -81- infrieure celle releve dans le cas d'un bloc chauff sur une plaque plane (hx =38Wm-2K-1). Ceciestdauretraitdesrouleauxcontrarotatifsenamontdubloc(figuresIV-10etIV-11) qui ne s'chappent plus sur le bord d'attaque mais plutt une abscisse x < 0. En effet, pour le cas sans dflecteur, les chappementsrptitifs des structures tourbillonnaires au niveau du bord d'attaque du dflecteur permettent d'alimenter cette zone l en air frais. En aval du bloc, nous apercevons une valeur maximale du coefficient d'change local de la plaque uneabscisse x = 55 mm (hx = 5 Wm-2K-1) avant de diminuer mesure que x augmente. -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 700102030 Z = 0 Z = 15 Z = 25 Z = 30Z = 35 x (mm)hx (Wm-2K-1)bord de fuite du dflecteur Fig.IV-13 Variation du coefficient d'change localhx pour diffrentes coordonnes transversales z ( = 10) IV-2-2-2.Etude du cas o = 40 IV-2-2-2.aLignes de courant Afindepouvoirdistinguerl'influencedelaforteinclinaisondudflecteursurla structuredel'coulement,nousreprsentons,surlafigureIV-14,leslignesdecourantde l'coulement pour une inclinaison = 40. Nousremarquonsquelazonedefaiblecirculationenamontdublocagagndu volume par rapport au cas prcdent. La forte inclinaison du dflecteur a introduit une grande perturbation de l'coulement qui s'tale plus en aval. Nous notons aussi la prsence de zones derecirculationenavaldudflecteurquis'tendentjusqu'l'extrmitdublocetqui contribuent rduire l'paisseur de la couche limite la surface du bloc.Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -82- Toutefois,enavaldubloc,nousnotonslaprsenced'unezonederecirculationde grandetaillequidpasselahauteurdublocetquiestlaconsquencedudcollementde l'coulement partir de x = 20 mm.

Fig.IV-14 : Lignes de courant de l'coulement dans le plan mdian ( = 40) Sur la figure IV-15, nous notons une forte perturbation en amont du bloc.Cependant, son avalla zone de recirculation centrale (observe prcdemment) a disparu laissant place auxrouleauxcontrarotatifslatrauxquisechevauchentetcrentparlasuiteunemultitude de tourbillons de tailles diffrentes.

Fig. IV-15 : Ligne de courant dans le plan y = - 3 mm (y = 0 la surface du bloc) ( = 40) Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -83- Par ailleurs, la figure IV-16 montre que les rouleaux contrarotatifs crs en amont du bloc sont plus importants que ceux des cas prcdents (figures IV-3, IV-9, IV-10). Ceci est d la pression exerce par la forte inclinaison du dflecteur. En effet, l'coulement dvi par le dflecteur va comprimer ces vortexen les empchant de s'chapper vers le haut. Fig. IV-16 : Evolution spatiale des vortex en amont et en aval du bloc ( = 40) IV-2-2-2.bChamp dynamique LesfiguresIV-17(a)et(b)prsententlesdistributionsaxialesdelavitessedansle planmdianetpourdiffrentespositionsyau-dessusdelasurfacedubloc.Nousnotonsla prsence de trois volutions diffrentes : -Dans la premire zone (x < 0), la vitesse diminue cause de la zone de recirculation prsente en amont du bloc, -Dans la deuxime zone (0 x 50), une augmentation considrable de la vitesse est constate prs de la paroi y = 2 mm. Nous notons un maximum de la vitesse x = 25mm(U=0,94m/s).Cependantpartirdey=4mm,nousobservonsune rgression des profils de vitesse due la forte inclinaison du dflecteur,-Dans la troisime zone (x > 50), nous notons une diminution de la vitesse qui fini par osciller autour de la valeur 0,1 m/s. Laugmentation de l'angle d'inclinaison cre des zonesderecirculationetdestourbillonscontrarotatifsquiinter-ragissententreeux provoquant ainsi la formation d'une multitude de structures de petite taille emportes par l'coulement. Nousnotons,surfigureIV-17(b),unechutedelavitessedansladeuximeetla troisime zone cause par l'inclinaison trs importante de . Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -84- -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 800,00,40,81,2 y = 2 y = 4 y = 6U (m/s)x (mm)bbord de fuite du dflecteur (a) (en dessous du dflecteur) -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 800,00,40,81,2 y = 10 y = 12 y = 15 y = 18 y = 20U (m/s)x (mm)bbord de fuite du dflecteur (b) (au-dessus du dflecteur) Fig.IV-17 (a) et (b) : Distributions axiales de la vitesse dans le plan mdian ( = 40) Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -85- IV-2-2-2.cTemprature de surface de la plaque et du bloc Dansceparagraphe,nousnousintressonslavariationdelatempraturedela surface du bloc chauff lorsque l'inclinaison du dflecteur est gale 40 (figure IV-18). En amont du bloc, la temprature de la plaque augmente sous l'effet de la conduction et atteint un pic x = 0 (Tmax,plaque = 30 C z = 0). Ce pic est moins important que pour le cas prcdent (Tmax, plaque = 32 C z = 0). Ceci est d aux rouleaux tourbillonnaires de grande taille en amont du bloc (figure IV-16).

Au niveau du bloc, nous dcelons deux comportements diffrents. Pour x < 25 mm, la tempraturedublocestplusfaiblequ'avecundflecteurinclinde10.Parailleurs,la temprature augmente de manire sensible pour 25 < x < 50.En aval du bloc, la temprature de la plaque est leve sous l'effet de la conduction et diminue au fur et mesure que x augmente. -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 7020304050 Z = 0 Z = 10 Z = 15 Z = 20Z = 25Z = 30 x (mm)T (C)b du dflecteurbord de fuite Fig.IV-18 Variations de la temprature de surface de la plaque et du bloc pour diffrentes coordonnes transversales z ( = 40) IV-2-2-2.dVariation du coefficient d'change convectif Lesvariationsducoefficientdchangelocalhxenfonctiondexetpourdiffrentes coordonnestransversales,sontreprsentessurlafigureIV-19.Nousconstatons galement trois volutions diffrentes. Enamontdubloc,lecoefficientd'changelocalauniveaudelaplaqueaugmente progressivement et atteint une valeur maximale x = -2 mm (hx = 14 Wm-2K-1 z = 0).Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -86- Au niveau du bloc (0 x 50), nous constatons que les courbes sont trs voisines et quelecoefficientdchangelocalhxdpendpeudescoordonnestransversalesz. Globalementlecoefficientd'changelocalestsensiblementpluslevquedanslecas prcdent. Enrevanche,enavaldubloc,lecoefficientd'changelocalestfaibleest avoisine les 5 Wm-2K-1avant de diminuer mesure que x augmente. -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 700102030 Z = 0 Z = 15 Z = 25 Z = 30Z = 35 x (mm)xh (Wm-2K-1)b du dflecteurbord de fuite Fig.IV-19 Variation du coefficient d'change localhx pour diffrentes coordonnes transversales z ( = 40) IV-2-2-3.Comparaison des diffrents angles d'inclinaisons Nous venons de prsenter de faon dtaille les cas = 10et = 40.Nous allons les complter par trois cas, savoir : = 20 et = 30 et = 45.Une tude comparative decesdiffrentscasvanouspermettredemettreenvidencel'influencedel'inclinaisondu dflecteur transversal sur le refroidissement du bloc chauff et sur la distribution spatiale du coefficient dchange de chaleur. IV-2-2-3.aLignes de courant La figure V-20 prsente les lignes de courant dans le plan horizontal une distance y = -3 mm pour les cas suivants : ' = 20 (a, b) ; ' = 30 (c, d) ; ' = 45 (e, f). CeslignesdecourantainsiquecellesprsentesdanslesparagraphesIV-2-2-1.aet IV-2-2-2.amontrentquelesrouleauxtourbillonnairesquiseformentenamontdubloc chauff prennent du volume lorsque l'angle l'inclinaison du dflecteur augmente.Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -87- (a) (b) (c) (d) (e) (f)

Figure IV-20 : Lignes de courant z = 0 (figures a, c et e) et y = -3 mm(figures b, d et f) avec = 20 (a, b), = 30 (c, d) =45 (e, f) Nous retrouvons, en aval du dflecteur inclin, les deux vortex contrarotatifs crs par lerecollementdel'coulementsparauniveaudubordd'attaquedudflecteur.Ces vortex sont d'autant plus importants que l'angle d'inclinaison est grand.Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -88- Toutefois, en aval du bloc, les lignes de courant illustrent une grande perturbation de l'coulementdanscettezone.Cesstructuresinteragissententreellesetsechevauchent donnantainsinaissancesd'autresstructurestourbillonnairesdetaillediffrente(figures V-15, V-20 (d) et (f)). IV-2-2-3.bChamp de temprature La figure IV-21 prsente la rpartition de temprature surface du bloc et de la plaque plane pour :-Le cas sans dflecteur,-Les cas = 10, 20, 30, 40 et 45. Pourlecassansdflecteur,lemaximumdetempratureestlocalisdanslazone centrale du bloc chauff (45C). Les tempratures leves recouvrent une zone importante de lasurfacedubloc.Cettezoneserduitetdevientdeplusenpluspetitemesureque augmente. Cependant, nous notons, pour les cas = 40 et45 (figure IV-21 (e) et (f)), une lvation de la temprature vers le bord aval du bloc (x = 25 mm). Cette augmentation de la temprature est due la forte inclinaison du dflecteur qui fait obstruction dans cette zone. Pourunevuecompltedestempraturesdesurface,lesfiguresIV-22etIV-23 prsententlesdistributionsdetempraturesurlesparoistransversales(amontetaval)du bloc,pourlesdiffrentscastudis.Nousobservonsunediminutiondelatempraturedes parois transversales du bloc mesure que augmente. (a) (b) Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -89- (c) (d) (e) (f) Fig.IV-21 : Contours de temprature la surface du bloc et de la plaque pour les cas: sans dflecteur (a), = 10 (b), = 20 (c), = 30 (d), = 40 (e) et = 45 (f) Latempraturemaximaleenamontdubloc,pourlecasd'unemarcheascendante chauffe (figure IV-22(a)), est gale 36C contre une valeur maximale de 32 C pour le cas d'undflecteurinclinde40(figureIV-22(f)).Cettediminutionestattribueauxrouleaux contrarotatifs en amont du bloc dj observs par les lignes de courant. En effet la formation etl'chappementdecesstructurestourbillonnairesvontaugmenterl'changeconvectifavec la paroi chauffe. La figure IV-23 montre aussi une diminution de la temprature sur la paroi en aval du bloc.Cettediminutionestdueauxperturbationsintroduitesparl'inclinaisondudflecteur, favorisant l'interaction entreles deux vortex latraux en aval du bloc. Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -90- Fig.IV-22 : Champ de temprature sur la paroi transversale en amont du blocFig.IV-23 : Champ de temprature sur la paroi transversale en aval du bloc Pour les cas : sans dflecteur (a), = 10 (b), = 20 (c), = 30 (d), = 40 (e) et = 45 (f) IV-2-2-3.cChamp dynamique Lesdistributionsaxialesdelavitessedansleplanmdianetunedistancey=-3 mmsontreprsentessurlafigureIV-24pourlesdiffrentscastudis.Auniveaudela surface du bloc, nous remarquons que la vitesse augmente mesure que augmente (jusqu' = 40). Eneffet,mesurequeaugmente,lasectionentreleblocetledflecteurserduit d'o l'augmentation de la vitesse au dessus de la surface du bloc. Nous notons une valeur de 0,92 m/s pour le cas = 40 et une distance x = 25 mm. Nous remarquons que l'cart est de 120 % entre ce cas et le cas sans dflecteur. En effet,l'coulement dvi par l'inclinaison du (a)(a) (b) (b) (c) (c) (d) (d) (e)(e) (f)(f) Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -91- dflecteurvacomprimerlacouchelimiteformesurlasurfacedublocetparconsquent augmenter la vitesse dans cette zone. Cependant, pour = 45, la vitesse diminue, ce quipermet de penser que = 30 ou 40 reprsente un angle optimum pour le transfert thermique ce qui sera vrifi par la suite. -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 800,00,20,40,60,81,0U (m/s)x(mm) = 45 = 40 = 20 = 30 = 10sans dflecteurb Fig.IV-24 : Distributions axiales de la vitesse dans le plan mdian et une ordonney = 2 mm (sans dflecteur, = 10 ; 20 ; 30 ; 40 ; 45) Lasituationsansdflecteurcorresponduncoulementsuruneplaqueplane prsentantune marche ascendante chauffe de hauteur finie. Dans ce cas, la vitesse diminue lgrement par l'effet du dcollement de l'coulement partir du bord dattaque du bloc et de la couche limite forme sur sa surface ( une distance x = 25 mm, U = 0,42 m/s). IV-2-2-3.dTemprature de la surface de la plaque et du bloc NousreprsentonssurlafigureIV-25lavariationdelatempraturesurfaciquedu bloc chauff et de la plaque dans le plan mdian en fonction de x pour diffrentes valeurs de . Nous observons une diminution de la temprature quand augmente.Par exemple, pour lecassansdflecteurlatempraturemaximale(x=35mm)estgale46,2C.En revanche,quand=30,Tmax=40Cetquand=40,Tmax=40,3C.L'cartde tempratureentrelemodlesansdflecteuretceluiavecdedflecteurestde6Ccequi permet de confirmer l'influence du dflecteur transversal sur le refroidissement du bloc. Toutefois,quand=45,nousnotonsuneaugmentationdelatempraturesur l'ensemble du bloc ce qui confirme que = 30 ou = 40 constitue l'inclinaison optimale. Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -92- Certes,latempraturemaximalelocale(pointchaud)peuttreunevaleurlimiteau-deldelaquellelefonctionnementd'uncomposant[8,9]n'estplusgarantietladiminution desperformancespeuventallerjusqu'ladfaillance.Mais,latempraturemoyennedela surface chauffe peut tregalement un paramtre qu'il faut prendre en considration. -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 701520253035404550z = 0 = 40 = 30 = 45 = 20x (mm)T (C)sans dflecteur = 10b Fig.IV-25 : Variation de la temprature surfacique dans le plan mdian (sans dflecteur, = 10; 20 ; 30 ; 40 ; 45) Danslecasdenotretudelavariationdela temprature moyenne Tmoy de la surface dublocenfonctiondevanouspermettred'identifierl'inclinaisonoptimale.Surlafigure IV-26latempraturemoyenneestmaximale(Tmoy=32,4C)pourlecassansdflecteur. Ensuite, en prsence du dflecteur, la temprature moyenne de la surface du bloc diminue et passe par un minimum de 27,7 C ( = 30) avant d'augmenter et atteindre 30C lorsque = 45. Par consquent, nous pouvons conclure que = 30 reprsente l'inclinaison optimale. Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -93- 272829303132330 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ()Tmoy (C)Sans dflecteur Fig.IV-26 : Variation de la temprature moyenne Tmoy de surface du bloc en fonction de IV-2-2-3.eVariation du coefficient d'change convectif 0 10 20 30 40 50510152025303540hx (Wm-2K-1) = 40 = 30 = 45x (mm)sans dflecteur = 10 = 20 Fig.IV-27 : Variation du coefficient d'change dans le plan mdian (sans dflecteur, = 10; 20 ; 30 ; 40 ; 45) Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -94- Sur la figure IV-27 sont reprsentes les variations du coefficient d'change local hx en fonctiondex,pourlescasavecetsansdflecteur.Nousremarquonsquelecoefficient d'changeaugmentemesurequel'angled'inclinaisonaugmente.Ladviationde lcoulementverslecentredelasurfacedublocintroduiteparledflecteurtransversal, provoque globalement une augmentation du coefficient dchange local sauf au voisinage du bordd'attaquedubloc,enraisondesrouleauxcontrarotatifsquis'chappentlatralement lorsque le dflecteur est inclin (voir figures IV-15 et IV-16).

Le coefficient d'change moyen hmoy sur l'ensemble du bloc est un paramtre essentiel. Le Tableau 1 prsente sa valeuren fonction de langle dinclinaison . Il est noter que lamlioration du transfert convectif moyen hmoy par rapport au cas sans dflecteur, est de 42 % quand = 30, de 45 % quand = 40 et de 32 % quand = 45. ()Sans dflecteur 1020304045 hmoy (Wm-2 K-1) 16,4 20,7 21,523,323,721,6 Tableau 1 : Influence de langle dinclinaison des dflecteurs sur la variation de hmoy Avec lagomtrie utilise (H'' = 1,5 cm, L'' = 10 cm et a'' = 0 cm), nous constatons que=40reprsenteunoptimumpourletransfertdechaleurglobal,cequin'taitpasle cas de la temprature moyenne Tmoy. Nous notons un cart type = 7,7 C. Par consquent, nous pouvons conclure de l'existence de deux inclinaisonsoptimales. Le choix de l'une ou l'autre repose en fait sur les besoins de l'utilisateur :-Si l'amlioration que nous souhaitons apporter vise homogniser la temprature du blocetlamaintenirdansdeslimitesolaperformanceetlefonctionnementnesont pascompromis,alorsnotrechoixseporterasurundflecteurinclinde30 ( = 4,2 C).-Cependant, sil'change convectif est le paramtre essentiel et que l'homognisation delatempraturen'estpasncessaire,alorsnotrechoixseporterasurundflecteur inclin de 40. Dans le cadre de notre tude, nous cherchons homogniser la temprature du bloc chauffafindegarantirsafiabilit.Pourcelanousnousintresseronsaupremiercaso = 30. Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -95- IV-2-3Influence de la distance e'' entre le dflecteur et le bloc IV-2-3-1.Donnes gnrales Dans cette partie, nous allons tudier l'influence de la distance e'' entre le bord de fuite dudflecteuretleblocsurlastructuredel'coulementetsurl'changeconvectif.Nous prsenterons alors les variations de la vitesse, de la temprature et du coefficient d'change hx en fonction de la distance adimensionnelle e''*pour l'angle = 40 et avec la gomtrie dj utilise (H'' = 1,5 cm, L'' = 10 cm, et a'' = 0 cm). e''* = max' 'ee, [Eq.IV-1] avecemaxestladistancemaximalpartirdelaquellel'influencedudflecteurest ngligeable. On pose emax = 1,3 cm pour = 40. IV-2-3-2.lignes de courant (a) (b) (c) (d) Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -96- (e) (f) Fig.IV-28 : Lignes de courant z = 0 (figures a, c et e) et y = -3 (figures b,d et f) avece''* = 0,5 (a, b), e''* = 0,75 (c, d) et e''* = 1(e, f) LafigureIV-28illustreleslignesdecourant,pourunangled'inclinaison=40, dansleplanmdianetdansleplanhorizontaluneordonney=-3mm.Nousretrouvons danstouslescaslestroisstructurestourbillonnairesenavaldublocchauff.Lorsquela sectione''*diminuelesdeuxrouleauxcontrarotatifslatrauxcdentleurplacelazone centrale de recirculation IV-2-3-3.Champ dynamique LafigureIV-29prsenteladistributionaxialedelavitesseenfonctiondexdansle plan mdian.-En amont du bloc, la vitesse augmente lorsque e''* augmente. Cette augmentation peut treexpliquedufaitquelesrouleauxcontrarotatifsprennentduvolumelorsquee''* croit(figure IV-29). -Cependant,auniveaudubloclavitesseaugmentelorsquee''*diminueUmax =0,92 m/s x = 25 mm et pour e''*= 0,26. En effet, la rduction de la section de passage de l'airrduitl'paisseurdelacouchelimiteenretardantl'apparitiond'undcollement ventuel ce qui a favoris l'augmentation de la vitesse dans cette zone.-En aval du bloc, nous notons une chute trs importante de la vitesse, pour les faibles valeursdee''*,duel'inclinaisondudflecteurquifaitobstructionl'coulement crant ainsi une grande perturbation dans cette zone. Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -97- -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 800,00,20,40,60,81,0y = 2e''* = 1e''* = 0,75e''* = 0,5U (m/s)x(mm)e''* = 0,26b du dflecteurbord de fuite Fig.IV-29 : Distributions axiales de la vitesse pour diffrentes distances adimensionnelles e''* ( = 40) IV-2-3-4.Temprature de surface de la plaque et du bloc LafigureIV-30prsentelavariationdelatempraturesurfaciquedansleplan mdian et pour diffrentes valeurs e''* : 1 ; 0,75 ; 0,5 et 0,26. Pour x allant de 0 50 mm, la temprature augmente et passe par un maximum (gale 42 C pour e''*= 1), puis diminue quand x augmente. Ce maximum perd de son importance quand e''* diminue. En effet, la rduction de la section de passage de l'air augmente la vitesse au niveau du bloc et par consquent permet de baisser la temprature de sa surface.Toutefois,lavariationdelatempraturemoyenneenfonctiondee''*permettrade quantifier cet cart. SurlafigureIV-31,latempraturemoyenneTmoydiminue,passeparunminimume''*=0,26etaugmenteparlasuitelorsquee''*augmentequelquesoitl'inclinaisondu dflecteur. L'augmentation de la distance adimensionnelle e'* induit la disparition de l'effet du dflecteur sur la structure de l'coulement au voisinage du bloc chauff. D'o l'augmentation de sa temprature moyenne.Cependant les valeurs les plus faibles de la temprature moyenne sont obtenues pour = 30 avec un minimum de 27,7 C e''* = 0,26. Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -98- -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 7015202530354045z = 0x (mm)T (C)e''* = 0,5e''* = 0,26e''* = 1e''* = 0,75 du dflecteurbord de fuiteb Fig.IV-30 : Variation de la temprature de surface dans le plan mdian pour diffrentes sections e''* ( = 40) 272829303132330 0,2 0,4 0,6 0,8 1e''*Tmoy (C) = 40 = 20 = 30 = 10 = 45 Fig.V-31 : Variation de la temprature moyenne Tmoy de surface du bloc pour diffrentes valeurs e''*(sans dflecteur, = 10; 20 ; 30 ; 40 ; 45) Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -99- IV-2-3-5.Variation du coefficient d'change moyen NousreprsentonssurlafigureIV-32lavariationducoefficientd'changemoyen hmoyenfonctiondeladistanceadimensionnellee''*pourlesdiffrentscasde.Nous observons une augmentation de hmoy avant de passer par un maximum e''*= 0,26 environ pour les deux angles d'inclinaison. Quand e''*> 0,26, hmoy diminue et tend se stabiliser. 181920212223240 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1e''*h (Wm-2K-1) = 40 = 45 = 30 = 20 = 10 Fig.IV-32 : Variation du coefficient d'change moyen hmoy en fonction de e''* (sans dflecteur, = 10; 20 ; 30 ; 40 ; 45) IV-2-4 Influence de l'emplacement du dflecteur Nousprsentonsdanscettepartie,l'influencedel'emplacementdudflecteursurla structure de l'coulement. Pour cela, nous avons tudi les variations du champ de vitesse de l'coulementainsiquecellesdelatempraturesurfaciqueetducoefficientd'changeen fonction de la variable a'', qui reprsente la distance entre les abscisses du bord d'attaque du dflecteuretdubloc.Pourdesraisonspratiques,nousavonsutilislavariablesans dimension a''*, telle que : a''*=b' ' a.[Eq.IV-2] Nouschoisissons,danscettepartie,lammeconfigurationgomtriqueavecune distance adimensionnelle e''* = 0,26. Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -100- IV-2-4-1.Lignes de courant Afindemettreenvidencel'influencedelavariableadimensionnellea"*surla structure de l'coulement, nous avons reprsent les lignes de courant dans le plan mdian et pour diffrentes valeurs a''* (figure IV-33). Nousremarquonsquelazonederecirculationenavaldublocestdeplusenplus importantequanda''*augmente.Cependant,partirdea''*=0,2,nousobservonsun dcollementdel'coulementlasurfacedublocavecl'apparitiondezonesderecirculation sur la premire moiti. Nous observons galement une rgression de la structure tourbillonnaire en amont du bloc.

(a) (b) (c) (d) Fig.IV-33: Lignes de courant z = 0,aveca''* =-0,2 (a) ; 0,2 (b) ; 0,4(c) et0,5 (d) IV-2-4-2.Champ dynamique Sur la figure IV-34 sont illustres les variations axiales de la vitesse une position y = 2mmaudessusdelasurfacedublocetpourdiffrentsemplacementsdudflecteur.Nous Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -101- constatonsl'existencededeuxextremumsdevitessequisedplacentdanslesensdesx quand a''*augmente. -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 800,00,20,40,60,81,0a''* = 0,2y = 2 mma''* = 0a''* = 0,5a''* = 0,4U (m/s)x (mm)a''* = - 0,2b Fig.IV-34 : Distributions axiales de la vitesse pour diffrents emplacements du dflecteur( = 40) Pour a''* = 0,2, le minimum de la vitesse est gal 0,42 m/s une distance de 10 mm en amont du bloc. Cependant, pour a''* = 0,5, le minimum de vitesse (0,1 m/s) est observe unedistancex=18mm.Cettetranslationestduel'effetconjugududcollementdela couchelimiteetdesrouleauxcontrarotatifsquisontformsenamontdubloc.L'interaction entre les deux engendre une srie de vortex de petite taille au voisinage de la surface du bloc (figure IV-34). Ce minimum est galement le minimum absolu de la vitesse pour l'ensemble des positions envisages. Toutefois,lemaximumdevitessevariepeuaveca''*,maisilesttranslatversles valeurs leves de x quanda''* augmente avec un maximum not a"* = 0. IV-2-4-3.Temprature de surface de la plaque et du bloc Sur la figure IV-35, nous remarquons que jusqu' a''* = 0,2 les valeurs maximales de temprature Tmax sont observes vers x = 35 mm et se dplacent vers x = 15 mm quand a''* estsuprieure0,2mm.LesplusfaiblesvaleursdeTmaxserencontrentquand 0,2 < a''* < 0, 2.En reprsentant la variation de la temprature moyennede surface du bloc chauffen fonction a''*, nous remarquons que la valeur minimale de la tempratureest obtenue poura''* = 0. Sur la figure IV-36,la temprature moyenne Tmoy diminue en fonction de a''* et atteint unminimuma''*=0,2(Tmoy=27,7Cpour=30)avantd'augmenternouveau mesure que a''* augmente. L'augmentation de cette distance adimensionnelle a''* engendre la Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -102- disparition progressive de l'effetdes dflecteurs sur la structure de l'coulement au voisinage du bloc chauff. D'o l'augmentation de sa temprature moyenne. -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 7015202530354045z = 0x (mm)T (C)a''* = 0,2a''* = 0a''* = - 0,2a''* = 0,5a''* = 0,4b Fig.IV-35 : Variations de la temprature de surface pour diffrents emplacements du dflecteur ( = 40) 272829303132-0,2 0 0,2 0,4a''*Tmoy (C) = 45 = 20 = 30 = 10 = 40 Fig.IV-36 : Variation de la temprature moyenne Tmoy de surface du bloc pour diffrentes valeurs a''*(sans dflecteur, = 10; 20 ; 30 ; 40 ; 45) Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -103- IIV-2-4-4. Variation du coefficient d'change moyen 1819202122232425-0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5a''*h (Wm-2K-1) = 40 = 10 = 30 = 20 = 45 Fig.IV-37 : Variation du coefficient d'change moyen hmoy en fonction de la section a''*

(sans dflecteur, = 10; 20 ; 30 ; 40 ; 45) Dans ce paragraphe, nous dterminons les variations du coefficient d'change moyen hmoy en fonction de la distance adimensionnelle a''* et pour diffrents angles d'inclinaison ', savoir = 10 ; 20 ; 30 ; 40 et 45. SurlafigureIV-37,nousnotonsuneaugmentationducoefficientd'changemoyen hmoy marque par un maximum une distance adimensionnelle a''* = 0 avant de diminuer par lasuitemesurequea''*augmente.Cemaximumestobservpourlesdiffrentes inclinaisonstudies.Nanmoins,lavariationglobaledehmoyestmaximalepourunangle d'inclinaison = 40. IV-2-5Influence de la vitesse d'entre Ue

Dans cette partie, nous faisons varier la vitesse l'entre de la plaque afin d'tablir la relation entre le nombre de Nusselt Nu et le nombre de Reynolds Reb. Nous rappelons les paramtres retenus pour cette tude :-H'' = 10 cm, -L'' = 1,5 cm, -= 1400 Wm-2 -ha = 5 Wm-2K-1 Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -104- -a''* = 0, -e''* = 0,26. IV-2-5-1.Lignes de courant Leslignesdecourantdel'coulementdansleplanmdiansonttudiepour diffrentes vitesse d'entre Ue. Sur la figure IV-38, nous prsentons les lignes de courant pour l'inclinaison = 30. Pour Ue = 0,8 m/s, nous distinguons deux structures tourbillonnaires en aval du dflecteur (figureIV-38(a)).Cesstructureschangentdeformeets'allongentmesurequeUe augmente. En aval du bloc, les lignes de courant illustrent une perturbation de l'coulement dans cettezonedeplusenplusimportantequandUeaugmente.Cesstructuresinteragissent entre elles et se chevauchent donnant ainsi naissances d'autres structures tourbillonnaires de taille diffrentes. Par ailleurs, les rouleaux contrarotatifs crs en amont du bloc semblent perdre de leur volume quandUe augmente. (a) (b) Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -105- (c) (d) Fig.IV-38 : Lignes de courant del'coulement dans le plan mdian pour Ue = 0,8 ; 2 ; 3 ;4 m/s ( = 30) IV-2-5-2.Variation du coefficient d'change moyen Danscettepartie,nousprsenteronslecassansdflecteurainsiquelesdeuxcas extrmes = 10 et = 40 Le Tableau 2 prsente les valeurs du coefficient dchange moyen hmoy sur l'ensemble de la surface du bloc, pour diffrentes vitesses Ue. Il est noter que hmoy est maximum pour =40quellequesoitlavitesseUel'entre.Toutefois,lecoefficientd'changeest globalementmeilleurquandUeaugmente.Eneffet,danslecaso=40,lamlioration apporte par le dflecteur est de 45 % pourUe = 0,8 m/s, et de 95% pour Ue = 4 m/s. Ce qui correspond une diminution de la temprature moyennede 5,5 C pourUe = 0,8 m/s, et 9,6 C pour Ue = 4 m/s. Ue (m/s) () 0,8234 Sans dflecteur 16,4 2223,7 26,7 10 21,3 33,539,7 43,4 40 23,7 39,246,8 52,4 Tableau 2 : Variation de hmoy en fonction de la vitesse Ue et pour les cas : sans dflecteur, = 10, = 40 Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -106- -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80012345Ue = 4 m/s U (m/s)x(mm) = 40sans dflecteur Fig.IV-39 : Distributions axiales de la vitesse dans le plan mdian y = 2 mm Toutefois, l'augmentation du coefficient de l'change est lie au fait que la vitesse au voisinage de la surface a augment considrablement pour Ue = 4 m/s (figure IV-39). Au niveau de la surface du bloc et pour une ordonne y = 2 mm, nous notons une amlioration de la vitesse moyenne de l'ordre de 115 % lorsque le dflecteur est inclin de 40. IV-2-5-3.Variation du nombre de Nusselt en fonction du nombre de Reynolds

Nous prsentons, dans cette partie, les variations du nombre de Nusselt en fonction du nombre de Reynolds dans le but ded'tablir une loi empirique reliant ces deux paramtres. Danslecasd'uneplaqueplanedelongueurLplacedans un coulement, le nombre de Nusselt moyen Nu peut s'crire en fonction du nombre de Reynolds ReL l'extrmit de la plaque : NuL = APr1/3 ReLm [Eq.IV-3] Nousallonsnanmoinscherchervoirsinosrsultatspeuventencoretre exprims sous la forme prcdente. Pour cela, nous nous inspirons des travaux de Shyy Woei Chang etal.[49]quionttabliuneloiempiriqueliantlenombredeNusseltetlenombrede Reynolds,telle que : =

[Eq.IV-4] Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -107- avec B est distance entre deux ailettes du radiateur. Vu la complexit de notre gomtrie et comme la structure de l'coulement dpend de lapositionetdel'inclinaisondudflecteur,lesparamtresAetmdel'quationIV-3vont obligatoirement dpendre de l'angle . L'quation s'crit alors : Nu = A() Pr1/3 Rebm() [Eq.IV-5] o Reb est le nombre de Reynolds au bord de fuite du bloc chauff. Toutd'abordsurlafigureIV-40sontprsenteslesvariationsdeNuenfonctiondu nombre de Reynolds Reb pour les diffrents angles , savoir : 0,10,20,30 et = 40. Nous observons une augmentation du nombre de Nusselt Nu avec lenombre de Reynolds et celaquelquesoitl'angle .IlestnotquelenombredeNusseltNuaugmentequand augmente. Fig. IV-40 : Influence de l'angle d'inclinaison sur la variation du nombre de Nusselt en fonction du nombre de Reynolds

Parlasuite,nousavonsreprsent,surlafigureV-41,lesvariationsdeAetmen fonction de l'angle et nous avons recherch une rgression linaire pour chacune des deux fonctions. Une approximation de degr 2 est satisfaisante. On obtient alors : m () = -5.10-5 2+ 3,6.10-3 + 0,43[Eq.IV-5] A () = 1,72.10-4 2- 0,01 + 0,56 [Eq.IV-6] Par consquent, la loi empirique du nombre de Nusselt moyen s'crit : Nu = (1,72.10-4 2- 0,01 + 0,56) Pr1/3 Re( 0,43 + 3,6.10 +3 2 5.10 -5 -)[Eq.IV-7] Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -108- 0 10 20 30 400,420,440,460,480,500,300,350,400,450,500,55 mmA A Fig. IV-41 : Variation des paramtres A et m en fonction de IV-3Etude exprimentale Dans cette partie, nous tudions exprimentalement la structure de l'coulement dvi verslasurfacedublocparledflecteurtransversaletletransfertdechaleurquienrsulte. L'explorationdeschampsmoyensetfluctuantsdevitesseetdetempraturevapermettrede dterminerrespectivementl'influencedel'inclinaisondudflecteursurlastructurede l'coulement.D'autrepart,l'analysedescartographiesobtenuesparcamrainfrarougeva permettre,poursapart,demieuxcernerl'influencedel'inclinaisondudflecteursurle refroidissement du bloc chauff.

Les conditions exprimentales choisies pour cette tude sont les suivantes : -Te = 16,7 C - = 1400 Wm-2 -U = 0,8 ; 2 ; 3 ; 4 m/s -La gomtrie utilise est telle que : - H'' = 10 cm, -L'' = 1,5 cm, -a''* = 0, -La distance entre le bord d'attaque du dflecteur et celui du bloc est gale 1,5 cm, ce qui nous donne diffrentes valeurs de e''*, savoir : e''* = 0,26 pour = 40 Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -109- e''* = 0,33 pour = 30 e''* = 0,4 pour = 20 e''* = 0,45 pour = 10 IV-3-1Visualisation de l'coulement Afindesefaireuneideglobalesurlastructuredelcoulementauxalentoursdu bloc chauff et du dflecteur, nous avons commenc cette tude par une visualisation dans le plan mdian dont le principe a t expos au paragraphe III-7 du chapitre 3. LesphotosIV-1IV-4montrentlecomportementdelcoulementpourdiffrents angles d'inclinaison du dflecteur, savoir : = 10 ; = 20 ; = 30 et = 40 et pour une vitesse incidente Ue = 0,8 m/s. Sur les photos IV-1(a) et (b), nous constatons que lair qui alimente lcoulement est confin entre la surface du bloc chauff et le dflecteur. Un dcollement de la couche limite amontestvisible.Nousnotonsgalementlaprsenced'unezonedesillagefinequiatteint des valeurs leves de x. Cette zone disparat fur et mesure que augmente (photos IV-2- IV-4). Sur les photos IV-2(a) et (b), nous remarquons l'apparition d'une zone de recirculation en aval du dflecteur qui prend du volume mesure que augmente (photos IV-3 et IV-4). Nous notons par la mme occasion, la disparition progressive de la zonede recirculation en aval du bloc chauff quand augmente. Cependant,surlesphotosIV-3etIV-4,nousremarquonsl'apparitiond'unrouleau contrarotatif en amont du bloc qui prend du volume quand augmente. Ce rouleau est form par l'effet conjugu de l'coulement dvi par le dflecteur et l'coulement dcoll au niveau du bord d'attaque du bloc. Nous apercevons, en outre, sur photo IV-4(b) un dcollement vers l'extrmit aval du bloc, d la forte inclinaison du dflecteur. Photo IV-1 (a) : = 10Photo IV-1 (b) : = 10 Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -110- Photo IV-2 (a) : = 20Photo IV-2 (b) : = 20 Photo IV-3 (a) : = 30Photo IV-3 (b) : = 30 Photo IV-4 (a) : = 40Photo IV-4 (b) : = 40 Comptetenudecesconstatations,nouspouvonsnoterlexistencedetroiszonesde structuresdiffrenteslelongdel'coulement.Enconsquence,nousavonseffectunos mesuresdevitesseetdetempraturedans15sectionsdroitescouvrantlestroiszoneset variant de x = -30 mm jusqu' x = 80 mm. Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -111- IV-3-2Cartographies thermiques Dans cette partie, nous prsentons les cartographies thermiques sur la surface du bloc chauffetdelaplaqueralisesparthermographieinfrarouge(voirparagrapheIII-6du chapitre 3). LaphotoIV-5reprsentelacartographieinfrarougedelasurfacedublocetdela plaquedanslecasd'uncoulementsurunemarcheascendantesansprsenced'lments perturbateurs.Nousremarquons qu'en l'absence du dflecteur, la temprature est plus leve surtoutelasurfacedubloc,avecunmaximumversl'extrmitsuprieure.Cependant, lorsqu'oninsreledflecteurtransversal,nousobservonsunediminutiondelatemprature dans la partie amont du bloc (photo IV-6). Nous pouvons noter que plus l'angle d'inclinaison dudflecteurestimportant,pluslatempraturedelasurfacedublocdiminueettend s'homogniser (photos IV-7 et IV-8). Nanmoins,surlaphotoIV-9,nousdcelonsunelgreaugmentationdela tempraturesurtoutversl'extrmitsuprieuredubloc,cequipermetdedireque=30 estl'inclinaisonoptimalepourunrefroidissementmaximaldelasurfacedubloc.Nous distinguons galement sur les photos une propagation de la chaleur dans la plaque plane par conduction.La comparaison avec les rsultats numriques sera effectue dans le paragraphe IV-4 de ce chapitre.

Photo IV-5 : CartographiePhoto IV-6 : Cartographie ( ( ( ( = 10) (sans dflecteur) Etude de l'coulement dvi par un dflecteur transversal -112- Photo IV-7 : Cartographie ( = 20) Photo IV-8 : Cartographie ( = 30) Photo IV-9 : Cartographie ( ( ( ( = 40) IV-3-3Champs moyens et fluctuants Les mesures locales de temprature et de vitesse de l'coulement ont