Simulation numérique des écoulements autour des surfaces ailettées

Abstract

Le travail présenté dans le cadre de cette étude est relatif à une analyse d’effets d’interaction, entre un écoulement externe et un cylindre à surface ailettée d’un moteur à combustion interne, par voie de simulation numérique. Nous nous sommes intéressés dans une première étude, aux transferts thermiques purement conductifs ayant lieu dans le cylindre du moteur, par l’utilisation de coefficients d’échanges issus de la littérature. Dans une seconde étape, on s’est intéressé à un problème d’interaction fluide- structure: la modélisation du problème, coté externe, a été établie moyennant l’utilisation d’une approche basée sur une modélisation d’écoulement autour d’une surface ailettée en régime 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, d’écoulements, par prise en compte d’effets d’interaction, avec une structure solide rigide, constituée d’un cylindre à surface ailettée, où les échanges thermiques sont purement conductifs. Les résultats présentés sont relatifs aux distributions de températures dans le cylindre, aux champs, de vitesse et de température, autour de la surface ailettée du cylindre et à l’évolution spatio-temporelle du coefficient de transfert de chaleur. Notre étude est organisée de la façon suivante: Dans le premier chapitre, on présentera les moteurs refroidis à air, les cylindres sont munis d'ailettes orientées de sorte que le courant d'air provoqué par le déplacement du véhicule circule facilement entre elles. Dans le deuxième chapitre, nous avons présenté une synthèse bibliographique et état de l’art sur les travaux antérieurs effectués sur le refroidissement des moteurs à combustion interne par l’air, par le biais d’ailettes longitudinales implantées autour la surface externe du cylindre. La modélisation du transfert thermique dans des moteurs pour la détermination du coefficient d’échange entre l’écoulement du fluide et les parois du moteur est également abordée. Le troisième chapitre est consacré au modèle, physique utilisé pour décrire les phénomènes de conduction à travers les parois du cylindre à ailettes et convection-diffusion d’air autour de ces parois. Nous présenterons les équations et les hypothèses relatives aux transferts thermiques conductifs à travers les parois du cylindre à ailettes, ainsi que la convection naturelle autour de la surface ailettée du cylindre, des paramètres géométriques et des conditions initiales et aux limites ont été choisis pour les deux modes de transferts thermiques. Après avoir décrit les phénomènes physiques et mathématiques à étudier, le quatrième chapitre traite d’une part, la méthode numérique basée sur des intégrales locales sur des volumes finis et d’autre part, les principes de la discrétisation des équations de bilan. Le schéma de discrétisation employé est de type polynomial et le couplage vitesse-pression est déterminé selon l’algorithme SIMPLE. Le cinquième chapitre est consacré à l’interprétation et à la présentation des résultats obtenus. Deux codes de calcul ont été utilisés pour la résolution des équations gouvernantes décrivant le phénomène. Concernant la conduction de chaleur, nous avons développé un programme écrit en Fortran pour déterminer les distributions d’isothermes à travers les parois du cylindre. Quant à la convection naturelle, nous avons utilisé le code CFD fluent 6.3. Les résultats de la simulation sont relatifs aux champs de température et de vitesse, ainsi que la répartition spatio-temporelle du coefficient d’échange convectif autour de la surface ailettée du cylindre. Une comparaison et des commentaires ont été faits sur les résultats déduits des simulations avec ceux issus de la littérature. Enfin, une conclusion générale, mettant en évidence les résultats obtenus et les perspectives à prévoir pour la continuité de ce travail.