François Penot, Alexandre de Tilly LET – ENSMA – UMR CNRS 6608 Influence des instabilités sur le transfert de chaleur à la paroi en aval d’une jonction en T. François Penot, Alexandre de Tilly LET – ENSMA – UMR CNRS 6608 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Le problème industriel Contraintes thermiques sur une soudure sur le circuit primaire de la centrale de Civaux fuite   165°C  30°C Té de mélange CIVAUX 1 – Mai 1998 Circuit primaire (30 m3/h) Extrado du coude Soudure longitudinale Té Coude 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Le problème académique étude des écoulements et transferts convectifs le long d’une paroi en aval d’une fente 2D x y Écoulement Principal Écoulement Secondaire Paroi d’étude Air ambiant Couche limite turbulente non isotherme rayonnement Paroi supérieure 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Le problème académique étude des écoulements et transferts convectifs le long d’une paroi en aval d’une fente 2D x y Écoulement Principal Écoulement Secondaire Paroi d’étude Air ambiant Couche limite turbulente non isotherme rayonnement Paroi supérieure Cas des faibles rapports de débit 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Le montage expérimental réalisé par Framatome ANP (AREVA) Le Creusot Tpf=110°C Upf=4m/s Secondary Cold Flow Principal Hot Flow Wall Tsf=30°C Usf=0.4m/s x y z 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Le montage expérimental Détail de la veine de mesure x y Écoulement principal Écoulement secondaire Bride (t1) z Possibilité de mettre une grille 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Le montage expérimental Vue générale de la salle d’expérience 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Les différentes instabilités Instabilité de Kelvin - Helmoltz 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Les différentes instabilités Instabilité de Kelvin - Helmoltz 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Les différentes instabilités L’effet clapet 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Les différentes instabilités L’effet clapet 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Les différentes instabilités L’effet battement ou clapet partiel 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Les différentes instabilités L’effet battement ou clapet partiel 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La notion de coefficient d’échange instantané Les fluctuations de température introduites par ces instabilités doivent être traduites dans les grandeurs caractéristiques. 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La notion de coefficient d’échange instantané Les fluctuations de température introduites par ces instabilités doivent être traduites dans les grandeurs caractéristiques. Traditionnellement, on exprime la densité de flux de chaleur à la paroi comme étant une fonction linéaire d’un écart de température caractéristique, soit : 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La notion de coefficient d’échange instantané Les fluctuations de température introduites par ces instabilités doivent être traduites dans les grandeurs caractéristiques. Traditionnellement, on exprime la densité de flux de chaleur à la paroi comme étant une fonction linéaire d’un écart de température caractéristique, soit : Posons : 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La notion de coefficient d’échange instantané Traditionnellement, on exprime la densité de flux de chaleur à la paroi comme étant une fonction linéaire d’un écart de température caractéristique, soit : En décomposant on obtient : 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La notion de coefficient d’échange instantané Traditionnellement, on exprime la densité de flux de chaleur à la paroi comme étant une fonction linéaire d’un écart de température caractéristique, soit : En décomposant on obtient : soit pour le flux moyen: 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La notion de coefficient d’échange instantané Traditionnellement, on exprime la densité de flux de chaleur à la paroi comme étant une fonction linéaire d’un écart de température caractéristique, soit : En décomposant on obtient : soit pour le flux moyen: et pour le flux fluctuant : 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La mesure du flux de chaleur instantané En développant l’expression de la densité de flux au voisinage de la paroi, on obtient : Les termes correctifs étant tirés de l’équation de la chaleur. 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La mesure du flux de chaleur instantané Par des ordres de grandeur, on peut alors montrer que le flux moyen s’écrit : 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La mesure du flux de chaleur instantané Par des ordres de grandeur, on peut alors montrer que le flux moyen s’écrit : avec : 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La mesure du flux de chaleur instantané On peut aussi montrer que le flux turbulent s’écrit : 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La mesure du flux de chaleur instantané Ces grandeurs dépendent donc de : 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La mesure du flux de chaleur instantané Ces grandeurs dépendent donc de : que l’on discrétise au voisinage de la paroi 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La mesure du flux de chaleur instantané Ces grandeurs dépendent donc de : que l’on discrétise au voisinage de la paroi Mesh step : Δy ≈ 100 µm 4 thermocouples K Diameter = 12.5 µm WALL FLUID WIRE Tsf=30°C Usf=0.4m/s Tpf=110°C Upf=4m/s 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conséquences sur le transfert de chaleur La mesure du flux de chaleur instantané Ces grandeurs dépendent donc de : que l’on discrétise au voisinage de la paroi suivant x Mesh step : Δy ≈ 100 µm 4 thermocouples K Diameter = 12.5 µm WALL FLUID WIRE Tsf=30°C Usf=0.4m/s Tpf=110°C Upf=4m/s f =12,5 µm d = 0,7mm suivant y 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Quelques résultats le coefficient d’échange moyen : U = 2, 4, 6 m/s (laminaire), b = 10% et avec turbulateur battement Kelvin-Helmholtz effet clapet 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes Quelques résultats Avec la température de paroi adiabatique comme température de référence le coefficient d’échange fluctuant : U = 2, 4, 6 m/s (laminaire), b = 10% et avec turbulateur Kelvin-Helmholtz battement effet clapet 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Cerise sur le gateau Le Taux de Transfert Thermique Turbulent à la paroi : T4 (%) T4(%) Kelvin-Helmholtz effet clapet battement 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes

Conclusion Ces phénomènes ne seraient-ils donc pas régis Richesse des solutions rencontrées : effet clapet, instabilités de K-V, battement Les fluctuations de température au voisinage des parois agissent sur les flux On introduit la notion de densité de flux de chaleur moyen et de densité de flux fluctuant On associe des coefficients d’échange en liaison avec des températures de référence On mesure les densités de flux moyen et fluctuant par une méthode de micro-thermocouples en opposition. On en déduit des valeurs des coefficients d’échange moyen et fluctuant Le taux de transfert thermique turbulent, T4 est grand (300 %) Ces phénomènes ne seraient-ils donc pas régis par ces échanges turbulents autant que par des flux moyens ? 15/03/2007 journée SFT, convection dans les systèmes complexes