Influence des régimes d'écoulement sur les performances énergétiques des cheminées solaires

Abstract

Le travail présenté dans le cadre de cette étude est relatif à une étude d’écoulements dans une cheminée solaire par voie de simulation numérique. La modélisation du problème a été établie moyennant l’utilisation d’une approche basée sur l’étude des écoulements dans une cavité ouverte constituée d’un disque et d’un cylindre. L’analyse du problème est relative au développement d’un code de calcul, avec variables adimensionnelles en coordonnées généralisées, pour la simulation de l’écoulement d’air dans la cheminée, avec prise en compte des deux régimes d’écoulements (laminaire et turbulent). Les aspects, thermique et hydrodynamique de l’écoulement ont été traités dans le cadre de cette étude, à travers la résolution des équations de la dynamique des fluides, par utilisation de la méthode des volumes finis avec des conditions aux limites adéquates. Il est à souligner que l’originalité de ce travail réside dans la modélisation, mathématique et numérique, des écoulements laminaire et turbulent, dans une géométrie complexe, avec variables adimensionnels, dans le souci de la généralisation des résultats. Notons, que la littérature sur l’aspect dynamique des fluides, en général, et l’écoulement turbulent en particulier dans les cheminées solaires, est très pauvre. En effet, les travaux publiés se contentent de l’utilisation de logiciels industriels, tel que Fluent, avec variables dimensionnelles, sans une modélisation mathématique fine, du phénomène physique. Ce travail constitue alors une plateforme d’analyse des performances énergétiques des cheminées solaires, avec prise en compte de l’aspect thermo- fluide ayant lieu dans les centrales de production d’énergie de type cheminée solaire en régime permanent. Le travail présenté dans ce mémoire se compose de cinq chapitres: Le premier chapitre, présenté sous forme d’étude bibliographique et page d’histoire sur les travaux antérieurs effectués durant les dernières décennies sur les cheminées solaire et expose les différentes procédures adaptées dans le développement numérique et expérimentale. Dans le deuxième chapitre, nous nous intéressons à la modélisation d’un écoulement incompressible dans une cavité ouverte, gouvernée par les équations de Navier-Stokes. Ces dernières sont déduites des principes de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie. Vu la forme géométrique imposée de la cavité, les équations résultantes sont transformées en coordonnées curvilignes. Dans le but de généraliser les résultats obtenus pour différentes conditions et géométries, les équations obtenues sont écrites sous forme adimensionnelle. Le troisième chapitre est consacré à l'analyse numérique d'un écoulement incompressible dans une cavité ouverte curviligne. Les équations décrivant l'écoulement sont écrites sous forme générale de variable Ø. La méthode de volumes finis choisi dans notre travail décrite par Patankar, qui consiste à discrétiser le domaine de l’écoulement en une multitude de volumes élémentaires, et l’équation générale est intégrée sur chaque volume de contrôle pour obtenir des équations qui sont appelées: équations discrétisées. Dans ce type de problème, le maillage est défini sur un domaine d'étude curviligne. Le schéma correspondant à ce type de domaine est appelé schéma à 9 points ou schéma VF9. Deux codes de calcul sont développés pour mettre en exécution les équations décrivant le problème, tout en utilisant l’Algorithme de pression appelé SIMPLE pour résoudre l’équation de correction pression-vitesse. Le quatrième chapitre consacré à l'interprétation des résultats obtenus, par les deux codes de calcul simulant les deux régimes d'écoulement, à savoir le régime laminaire et le régime turbulent en convection naturelle dans une cheminée solaire. Cinquième chapitre, dans ce dernier chapitre on calcule les performances énergétiques de la cheminée solaire en matière de puissance et rendement suivie d’une validation des résultats par comparaison aux résultats expérimentaux. Ce mémoire est doté de plusieurs annexes, où on présente le développement mathématique suivi dans l'élaboration des équations de Navier-Stocks dans les différents systèmes de coordonnées utilisées.