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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE FACULTÉ DE TECHNOLOGIE DEPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE Mémoire de Master en Génie Mécanique Option GÉNIE THERMIQUE ET LES ENÉRGIES RENOUVELABLES THÈME Présenté par : BABA Khawla Devant le jury composé de : Président : Mr. SEBBANE Omar Examinateurs : Mr. KORTI Nabil Abd Illah Mr. BENRAMDANE Mohammed Encadreur : Mr. SAIM Rachid Co-encadreur : Mr. BOUCHENAFA Rachid Remerciements Je remercie vivement et chaleureusement Monsieur Le professeur SAIM Rachid et Monsieur BOUCHENAFA Rachid encadreurs de ce mémoire, pour m’avoir soutenu et guidé tout au long de ce mémoire. Je les remercie particulièrement pour la confiance qu’ils m’ont accordée, pour leurs rigueurs scientifiques, pour leurs patiences et pour leurs conseils judicieux qui ont contribué à la réalisation et à l’accomplissement de ce travail. Je tiens à exprimer mes remerciements à Monsieur SEBBANE Omar qui m’a fait l’honneur d’accepter la présidence du jury. Qu’il trouve ici l’expression de mes profondes gratitudes. J’exprime aussi mes vifs remerciements à Messieurs KORTI Nabil Abdel Illah et BENREMDANE Mohammed pour avoir accepté de faire partie du jury, montrant ainsi l’intérêt qu’ils portent au sujet de ce travail. A tous, je tiens à exprimer Mes sincères remerciements. Dédicaces A mes parents Aucun mot ne pourra exprimer l'affection et l'amour que nous prouvons envers vous. Personne ne pourra vous rendre les sacrifices que vous avez déployés à mon égard. Veuillez trouver ici, le témoignage de mon amour éternel. Que dieu vous procure santé, prospérité et bonheur... A mes sœurs (Zakia, Soumia) et mes frères (Ali, Mohammed) et mes chers (Iyad, Souheib). Pour l'affection qui nous lie, pour l'intérêt que vous portez ma vie, pour votre soutien, votre compréhension et vos encouragements... Veuillez trouver dans ce travail le témoignage de mes sentiments les plus sincères et plus affectueux. Que dieu vous protège et vous procure santé et bonheur... A toute la famille Veuillez trouver ici, le témoignage de mes sentiments respectueux et l'expression de ma sincère reconnaissance. Que ce travail vous apporte l'estime et le respect que je porte à votre égard, et soit la preuve du désir que j’aie pour honorer... A mes amis (es) et mes proches surtouts (B. Fatima Zohra, Nassima, Halima, T. Fatima Zohra) Je me souhaite du bonheur, réussite et bonne santé. A tous ceux qui me sont chers et que j’ai omis involontairement de citer... ﻣﻠﺨﺺ ﻓﻲ ھﺬه ﻣﺬﻛﺮة اﻟﻤﺎﺳﺘﺮ أﺟﺮﯾﺖ دراﺳﺔ ﻋﺪدﯾﺔ ﻣﻦ اﻟﺤﻤﻞ اﻟﻤﻘﻮى ﻟﻠﻤﺎء داﺧﻞ ﻗﻨﻮات ﺻﻐﯿﺮة ﻣﻦ اﻷﺷﻜﺎل اﻟﮭﻨﺪﺳﯿﺔ اﻟﻤﺨﺘﻠﻔﺔ ﻣﺜﻼ ﻗﻨﺎة ﺑﺴﯿﻄﺔ ﻣﺼﻐﺮة و أﺷﻜﺎل ھﻨﺪﺳﯿﺔ أﺧﺮى ﻣﻘﺘﺮﺣﺔ ﻣﺘﻌﺮﺟﺔ و ﻣﺘﻤﻮﺟﺔ ﺑﺎﺳﺘﺨﺪام رﻣﺰ اﻟﺤﺴﺎب ﻓﻠﻮﻧﺖ ، ﻛﻤﺎ ﯾﻌﺘﺒﺮ اﻟﺴﺎﺋﻞ اﻟﺴﻄﺤﻲ ﻏﯿﺮ ﻗﺎﺑﻞ ﻟﻼﻧﻀﻐﺎط ﻣﻊ ﺧﺼﺎﺋﺺ ﺛﺎﺑﺘﺔ. ﺗﻢ دﻣﺞ اﻟﻤﻌﺎدﻻت اﻟﺤﺎﻛﻤﺔ ﻋﻠﻰ أﺳﺎس طﺮﯾﻘﺔ اﻟﺤﺠﻮم اﻟﻤﺘﻨﺎھﯿﺔ و اﻟﺨﻮارزﻣﯿﺔ اﻟﺒﺴﯿﻄﺔ ، ﻗﺪ اﺳﺘﺨﺪم إﺟﺮاء ﺑﺴﯿﻂ ﻟﺤﻞ اﻟﻤﻌ ﺎدﻻت اﻟﺠﺒﺮﯾﺔ )درﺟﺔ اﻟﺤﺮارة ، اﻟﺴﺮﻋﺔ اﻟﻤﺤﻮرﯾ ﺔ ،اﻟﻀﻐﻂ ، اﻟﺴﺮﻋﺔ(. ﻣﻨﺤﻨﯿﺎت اﻟﺴﺮﻋﺔ اﻟﻤﺤﻮرﯾﺔ، ﺣﻘﻮل اﻟﺴﺮﻋﺔ، درﺟﺔ اﻟﺤﺮارة و اﻟﺘﺒ ﺎ دل اﻟﺤﺮاري، اﻟﻀﻐﻮط ﺗﻢ ﻋﺮﺿﮭﺎ ﻣﻦ ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻋﺪد رﯾﻨﻮﻟﺪز900 اﻟﻰ200 ﻛﻠﻤﺎت اﻟﺒﺤﺚ : ﺣﺠﻢ ﻣﺤﺪود، ﺗﺪﻓﻖ اﻟﺴﻄﺤﻲ، اﻟﺤﻤﻞ اﻟﻤﻘﻮى ﻗﻨﺎة ، ﺻﻐﯿﺮة ﻣﺘﻌﺮﺟﺔ و ﻣﺘﻤﻮﺟﺔ . Résumé Les travaux de ce mémoire de Master consistent à une étude numérique de la convection forcée d'un écoulement d’eau à l'intérieur des mini canaux de différentes géométries à savoir un mini-canal simple et d’autres géométries proposées Zigzag et Sine utilisant le code commercial de calcul Fluent 6.3. Le fluide est considéré laminaire incompressible avec des propriétés constantes. Les équations gouvernantes ont été intégrées et discrétisées selon l'approche des volumes finis. La procédure SIMPLE a été utilisée pour la résolution du système d’équations algébriques fortement couplées (température- vitesse et gradient axial de pression- vitesse). Les profils de vitesse axiale, les champs de vitesse et de température la distribution du nombre de Nusselt local et global ainsi que les pertes de pressions sont présentés pour des cas d’exemple type et pour différents nombres de Reynolds variant de 200 à 900. Mots clés : Volume finis, écoulement laminaire, convection forcée, mini canal Zigzag, et Sine. Abstract The work of this master consists of a numerical study of convection forced water flow inside the mini channels of different geometries namely a simple mini- channel and other proposed geometries and Zigzag using Sine the commercial computer code Fluent 6.3. The fluid is considered incompressible laminar with constant properties. The governing equations were integrated and discretized according to the finite volume approach. The SIMPLE procedure was used for solving the system of algebric equations strongly coupled (temperature-speed and axial pressure- gradient speed). The axial velocity profiles, the velocity fields and temperature distribution of local Nusselt number and global pressures and losses are reported on cases of such type and for different Reynolds numbers ranging from 200 to 900. Keywords: Finite Volume, laminar flow, forced convection, mini canal Zigzag, and Sine. SOMMAIRE : Remerciement Dédicace ﻣﻠﺨﺺ Résume Abstract Sommaire Liste des Figures Liste des tableaux Nomenclature Introduction générale.................................................................................................…..........1 CHAPITRE I : Recherche bibliographique Introduction .......................................................................................................................3 I.1 Etudes Numériques ..................................................................................................4 I.2 Etudes Expérimentales ........................................................................................... 10 Conclusion ....................................................................................................................... 15 CHAPITRE II : Formulation mathématique du problème Introduction ..................................................................................................................... 16 II.1 Géométrie du problème ......................................................................................... 16 II.2 Formulation mathématique du problème ................................................................ 18 II.3 Hypothèses simplificatrices ................................................................................... 18 II.3.1 Equations gouvernantes .................................................................................. 18 II.3.1.1 Equation de Continuité .................................................................................. 18 II.3.1.2 Equation de quantité de mouvement .............................................................. 18 II.3.1.3 Equation d’énergie ......................................................................................... 19 II.3.1.4 Nombres adimensionnels ................................................................................ 19 II.4 Conditions aux limites ........................................................................................... 21 II.5 Propriétés du fluide ............................................................................................... 23 Conclusion ....................................................................................................................... 24 CHAPITRE III : Simulation numérique Introduction ..................................................................................................................... 25 III.1 Méthode des volumes finis .................................................................................... 25 III.2 Maillage ................................................................................................................ 26 III.2.1 Choix du type de maillage .............................................................................. 26 III.2.1.1 Maillage structuré (quadra/hexa) ............................................................. 27 III.2.1.2 Maillage non structuré (tri/tétra) ............................................................... 27 III.2.1.3 Maillage hybride ..................................................................................... 28 III.3 Présentation du préprocesseur Gambit ................................................................... 28 III.3.1 Interface de Gambit ........................................................................................ 28 III.3.2 Présentation du la géométrie dans Gambit ...................................................... 28 III.4 Fluent ..................................................................................................................... 32 III.4.1 Etapes générales .............................................................................................. 32 III.4.1.1 Importation da la géométrie ≪. mesh ≫ ................................................... 32 III.4.1.1.1 Ouvrir la version de Fluent .................................................................... 32 III.4.1.1.2 . Vérification du maillage importé ........................................................ 34 III.4.1.1.3 .Vérification de l’échelle........................................................................ 35 III.4.1.1.4 Choix du solveur ................................................................................... 35 III.4.1.1.5 Affichage de la grille ............................................................................ 35 III.4.1.1.6 Choix du modèle laminaire ................................................................... 35 III.4.1.1.7 Définition des caractéristiques des matériaux ........................................ 36 III.4.1.1.8 Définir condition aux limites ................................................................. 36 III.4.1.1.9 Choix de solution……………………………………………………….37 Conclusion ............................................................................................................. 39 CHAPITRE IV : Résultats et discussions Introduction ...................................................................................................................... 40 IV.1 Choix de maillage .................................................................................................. 40 IV.2 Validation des résultats ........................................................................................... 41 IV.3 Partie dynamique ................................................................................................... 42 IV.3.1 Etude dynamique correspond à un nombre de Reynolds égale à 200 ............... 42 IV.3.2 Champ de vitesse ............................................................................................ 42 IV.4 Partie thermique ..................................................................................................... 53 IV.5 L’efficacité des mini-canaux HTE.............................................................................61 Conclusion ....................................................................................................................... 62 Conclusion générale…………………………………………………………………………63 Liste des références…………………………………………………...…………..…………65 Listes des Figures Figure I.1 : Pompe en silicium permettant la délivrance contrôlée de médicaments. ...............3 Figure I.2 : Laboratoires miniatures « lab-on-chip »...............................................................4 Figure I.3 : Domaine physique de la présente étude: (a) canal sinusoïdale, (b) canal triangulaire, (c) canal trapézoïdal. ...........................................................................................5 Figure I.4 : Schéma de l'échangeur ondulé-croisé appliqué dans la demande de récupération de chaleur. ..............................................................................................................................6 Figure I.5: Domaines de calcul. (a) configuration convergente-divergente; (b) son micro- canaux droit équivalent;(c) les dimensions géométriques du micro-canal…………………….9 Figure I.6: Schéma de la plaque ondulée. ............................................................................. 10 Figure I.7 : Diamètre hydraulique (Dh) avec différentes technologies des échangeurs ... ..…11 Figure I.8 : exemple des micro-canaux pour la conception d’un micro-échangeur de chaleur. ............................................................................................................................................. 12 Figure I.9 : Photographie de sections d'essai avec différents modèles de canaux. ................. 14 Figure I.10 : Schéma de micro échangeurs étudiés………...………………………………...15 Figure II.1: Différentes géométries, (a) canal simple, (b) canal sinusoïdal, (c) canal en zigzag. ............................................................................................................................................. 16 Figure II.1 : Schéma d'une unité répétitive, (a) mini-canal en zigzag, (b) mini-canal sinusoïdal. ............................................................................................................................ 17 Figure II.3: Régime laminaire Re < 2400. .......................................................................... 20 Figure II.4 :Schéma représentatif des conditions aux limites. ............................................... 22 Figure III.1: Volume de contrôle bidimensionnel ................................................................ 26 Figure III.2: Les trois types de maillages ............................................................................. 27 Figure III.3 : Interface de travail du préprocesseur Gambit .................................................. 28 Figure III.4: Type de solveur ............................................................................................... 29 Figure III.5: Création de la géométrie du mini-canal simple ................................................ 29 Figure III.6 : Maillage de mini-canal simple sur Gambit ...................................................... 30 Figure III.7 : Maillage de mini-canal sine sur Gambit .......................................................... 30 Figure III.8 : Maillage de mini-canal Zigzag S sur Gambit .................................................. 31 Figure III.9: Définition les conditions aux limites sur Gambit ............................................. 31 Figure III.10: Exportation du maillage................................................................................. 32 Figure III.11 : Type de résolution ........................................................................................ 33 Figure III.12 : Vue globale de Fluent ................................................................................... 33 Figure III.13 : Importation de la géométrie .......................................................................... 34 Figure III.14 : Vérification du maillage sou Fluent .............................................................. 34 Figure III.15 : Etablir l’équation d’énergie. ......................................................................... 35 Figure III.16 : Définition des caractéristiques du fluide ....................................................... 36 Figure III.17 : Définition des conditions aux limites ............................................................ 37 Figure III.18 : Initialisation la vitesse et la température à l’entrée ........................................ 37 Figure III.19 : Résiduel monitors ......................................................................................... 38 Figure III.20 : Lancement les itérations ............................................................................... 38 Figure III.21 : fenêtre des itérations ..................................................................................... 39 Figure IV.1 uploads/Geographie/ ms-gm-baba.pdf