Academic literature on the topic 'Stockage thermique à surface libre'

Le présent travail représente une étude expérimentale d’un chauffe eau solaire à stockage intégré, d’une nouvelle et simple conception, dans un climat tunisien. Ce chauffe eau est équipé d’un système de concentration comportant trois branches paraboliques favorisant une meilleure absorption du rayonnement solaire. Grâce à la libre rotation du système de concentration, on peut minimiser les pertes au moyen d’un dispositif de commande permettant de renverser le système pendant les périodes non ensoleillée. Les résultats expérimentaux ont montré des performances thermiques acceptables malgré la simplicité du capteur. Enfin, une amélioration peut être facilement apportée que ce soit par le perfectionnement de l’isolation thermique ou l’utilisation des surfaces sélectives de captation.

RésuméLa formation de nappes de glace stratifiée est un phénomène hydrologique cou- rant en milieu subarctique. Il résulte de l'accumulation d'écoulements successifs pendant l'hiver. La taille et l'épaisseur des couches de glace sont déterminées par l'interaction entre les systèmes microclimatologique et hydrologique de l'eau de surface. On étudie ici les échanges d'énergie suivant différentes épaisseurs de nappes de glace. Dans le cas d'épaisses nappes d'écoulement, les couches de glace prennent plus de temps à geler entièrement en raison de la plus grande quantité de chaleur latente emmagasinée dans les volumes d'eau. Des températures de l'air plus douces vont davantage ralentir le processus. Dans de telles conditions, l'eau circulant entre le couvert de glace supérieur et la glace sous-jacente procure des quantités d'énergie appréciables. De 60 à 87 % de l'énergie est fournie par l'eau libre. Avec des températures progressivement plus froides, l'englaciation accélérée réduit le temps d'écoulement de l'eau, diminuant ainsi la quantité relative d'énergie fournie par l'eau. Dans ce cas, l'énergie est livrée par la chaleur latente libérée par le gel de l'eau contenue dans la couche de débordement. Dans certaines conditions, l'absortion du rayonnement solaire produit aussi une quantité considérable d'entrée d'énergie dans le régime thermique. Cette énergie est libérée par l'entremise de pertes appréciables de chaleur irradiante. Pendant la formation d'une nappe de glace, la chaleur latente est la moins importante, ne comptant que pour 6 à 17 % de la perte totale de chaleur.

Face au changement climatique, caractérisé notamment par des périodes caniculaires plus longues et intenses, mais aussi par une disponibilité irrégulière de la ressource en eau, il est nécessaire d’apporter des solutions sobres en consommations énergétiques pour renforcer la résilience des bâtiments. Les cuves de récupération d’eaux de pluie enterrées sont des systèmes de plus en plus exploités qui permettent la gestion et le stockage de l’eau. En y immergeant un échangeur de chaleur, il est possible de profiter de l’effet géothermique de l’eau et du sol environnant pour rafraîchir les bâtiments de façon passive. Ce travail de recherche vise à étudier les performances et la faisabilité de ces systèmes hybrides. Un modèle numérique a été développé et validé grâce aux données recueillies par l’instrumentation de prototypes à l’échelle 1 pendant près de trois ans. L’exploitation du modèle a mis en évidence les facteurs influents du système. Des règles de prédimensionnement pour évaluer la quantité d’énergie potentiellement récupérable ont ensuite été établies. Le modèle du système a ensuite été intégré dans un outil de simulation énergétique du bâtiment pour évaluer les gains en termes de confort des occupants
In the face of climate change, characterized by longer and more intense heatwaves, as well as irregular availability of water resources, it is essential to provide energy-efficient solutions to strengthen the resilience of buildings. Underground rainwater tanks are increasingly being exploited as systems for managing and storing water. By immersing a heat exchanger in the tank, it is possible to harness the geothermal effect of the water and surrounding soil to passively cool buildings. This research aims to study the performance and feasibility of these hybrid systems. A numerical model was developed and validated using data collected from the monitoring of full-scale prototypes over a period of nearly three years. The model was used to highlight the key factors influencing the system. The model was used to identify the factors influencing the system. Presizing rules were then established to assess the amount of energy that could potentially be recovered. The system model was then integrated into a building energy simulation tool to assess the gains in terms of occupant comfort

On considere un fluide incompressible contenu dans une cavite bidimensionnelle et presentant une surface libre soumise a un flux thermique non uniforme. Les gradients de temperature induisent deux forces motrices d'ecoulement convectif: une force surfacique qui genere un ecoulement de type marangoni et dans le volume du fluide une force induisant un ecoulement de convection libre. La dynamique de l'ecoulement est decrite par les equations de navier-stokes couplees a celle de la thermique, associees a des conditions aux limites convenables. L'approche numerique est fonde sur une discretisation par elements finis. Les champs des vitesses et des temperatures dans le fluide sont couples pour la resolution et on utilise une methode de penalisation pour determiner le champ des vitesses. La recherche de l'etat d'equilibre revient a determiner la forme de la surface qui realise l'equilibre dynamique entre la tension superficielle, la pression et les contraintes visqueuses. La condition d'equilibre n'est autre que la condition d'interface connue dans la litterature diphasique. C'est elle qui prend en compte l'effet marangoni. Cette forme de la surface est recherchee comme solution d'un probleme de controle optimal: quelle est la forme du domaine fluide qui minimise l'energie de deformation de la surface libre, l'etat du fluide etant decrit par les equations thermohydrauliques et les conditions au bord? les champs des vitesses et des temperatures dans le fluide permettent d'evaluer une fonctionnelle quadratique positive definie sur la surface et correspondant a une energie de deformation de la surface. Un algorithme de gradient projete permet de minimiser cette fonctionnelle en deformant la surface a volume constant, apres evaluation par la methode des developpements de toutes les quantites mises en jeu dans le calcul de la derivee de la fonctionnelle par rapport a une variation infinitesimale du domaine dans lequel se produit l'ecoulement

L'auteur etudie theoriquement la convection naturelle en regime laminaire transitoire dans un volume liquide situe au-dessus d'une surface sinusoidale chauffee et limite par une surface libre. Il examine les cas ou la densite du flux de chaleur est constante puis variable. L'auteur introduit dans ses equations la fonction de courant et le rotationnel de la vitesse et presente un referentiel original, issu d'une transformation de coordonnees dite homotopique, pour faciliter l'ecriture des conditions aux limites. Il calcule les champs de vitesse et de temperature a l'aide d'une methode aux differences finies associee a une etude de stabilite. Des ecoulements secondaires accompagnant l'ecoulement principal sont mis en evidence

Nous proposons dans ce mémoire une méthode analytique et expérimentale pour étudier l'interaction fluide-structure dans un réservoir rectangulaire avec une surface libre en présence de gravité lorsque son influence est importante. Plus particulièrement nous nous attacherons au calcul des fréquences et modes propres du système couplé dans le cas particulier d'un problème bidimensionnel, où les mouvements de structure sont perpendiculaires à la direction de la pesanteur. Un potentiel de vitesse du fluide qui satisfait les équations et les conditions aux limites linéarisées est utilisé dans deux configurations pour un solide rigide en mouvement et pour une structure déformable. Dans le cas du solide en mouvement, le couplage avec les ondes de gravité, permet de généraliser le concept de la masse ajoutée classique, et d'étudier les influences de confinement et de la gravité à l'aide de nombre de Froude. Lorsque la paroi verticale du réservoir est modélisée par une poutre, l'évolution des fréquences et modes propres avec le Froude, le niveau de remplissage sont étudiés. Une expérience a été réalisée dans le cas d'une structure souple, et a montré la validité des résultats théoriques. La solution analytique obtenue permettra de valider les codes numériques

Ce travail de thèse porte sur la résolution du problème de tenue à la mer pour le cas des fermes de récupérateurs d'énergie des vagues. La résolution de ce problème pour un système seul par méthodes potentielles est bien maîtrisée. Dans le cas des fermes, des interactions hydrodynamiques ont lieu entre systèmes, dues aux vagues diffractées et rayonnées par chacun des systèmes flottants ; la résolution du problème de tenue à la mer doit donc être menée surla ferme dans son ensemble. Le problème numériqueprésente un nombre important d'inconnues, étant donné qu'une ferme comportera plusieurs dizaines de systèmes, chacun étant représenté par plusieurs centaines d'inconnues. Une méthode d'accélération est indispensable pour résoudre ce problème en un temps de calcul raisonnable. Ce travail de thèse porte donc sur l'implémentation de l'algorithme multipolaire rapide dans le logiciel de diffraction/radiation Aquaplus. La première étape est d'obtenir le développement multipolaire de la fonction de Green à surface libre. Les formulations issues de la littérature sont généralisées et validées de manière exhaustive. Une distribution open-source de l'algorithme multipolaire non-adaptatif est ensuite mise en place dans Aquaplus. Celle-ci ne donne pas satisfaction pour le cas des fermes, la distribution spatiale des inconnues étant trop inhomogène. On implémente alors une version simplifiée de cet algorithme, mieux adaptéeau cas des fermes. L'outil obtenu est utilisé pour une étude paramétrique sur des fermes composées de REV génériques. L'influence de la distance de séparation entre corps sur la production d'énergie annuelle en un site donné est étudiée. Cette étude révèle le rôle prépondérant du power take-off sur les interactions hydrodynamiques. Elle montre aussi l'existence de configurations de fermes « optimales » qui permettent de limiter de manière significative les interactions destructives. A partir de ces configurations, on étudie les états de mer dans le sillage de petites fermes
This thesis presents the implementation of an acceleration method for solving the diffraction/radiation problem for arrays of wave energy converters. The resolution of this problem by numerical models based on linear potential flow theory is now standard for isolated bodies. When the floating bodies are grouped into an array, wave interactions occur between systems, due to radiated and diffracted waves. The resolution of the diffraction/radiation must then be carried on considering the whole array. This numerical problem involves a large number of unknowns, given that an array is made of several tens of systems, each system being modelled by several hundred of unknowns. An accelerated method is thus mandatory to carry on computations in a reasonable amount of time. Thisthesis describes the implementation of a fast multipole algorithm in theradiation/diffraction software Aquaplus. The firststep is to get a flexible formulation of the multipole expansion of the free-surface Green's function. Formulations from the literature havebeen extended and validated in a systematic way. An open-source distribution of the non-adaptative multipole algorithm has then been implemented in Aquaplus. This method did not prove satisfactory for the study of arrays of floating bodies, as the spatial distribution of the unknowns is too inhomogeneous in this case. A simplified version of the fast multipole algorithm, more suited to the study of arrays, is then implemented. The developed tool has been used for a parametric study of arrays made of generic wave energy converters. The influence of the separating distance between bodies on the yearly energy production of the array at a specific site hasbeen investigated. This study revealed that the power take-off plays a significant role on hydrodynamic interactions. It also showedthat optimal array layout can be found, limiting significantly the destructive interactions in the array. The reduction of the significant wave height in the lee of such an array has been studied

Déterminer l'adhérence de revêtements est un problème complexe à traiter. L'essai d'indentation interfaciale est proposé depuis plusieurs années comme une alternative aux essais les plus pratiqués. La formulation analytique mise au point au Laboratoire de Mécanique de Lille commence à se diffuser largement. Dans le travail présenté ici plusieurs aspects ont été traités dans l'objectif de mieux comprendre les influences de la rugosité, de l'épaisseur de revêtement et des contraintes résiduelles. Outre la mise au point d'un protocole d'essai et d'analyse rigoureux, le travail a consisté à pousser la modélisation aux éléments finis amorcée dans une précédente thèse. Dans la pratique, il n'est pas possible de faire évoluer indépendamment contraintes résiduelles et épaisseur alors que la modélisation le permet. Ainsi nous montrons que, à épaisseur donnée, l'augmentation des contraintes résiduelles de compression dans le revêtement joue un rôle bénéfique pour limiter l'extension de la fissure à l'interface. En dehors de ce résultat important, la prise en compte du frottement indenteur matériaux à l'interface permet de reconstruire de manière satisfaisante la courbe de fissuration. Le calcul de la ténacité interfaciale qui s'y rapporte est en excellent accord avec le calcul analytique mis au point au laboratoire et, par voie de conséquence, en justifie les hypothèses a posteriori. Le degré de confiance à apporter aux contraintes résiduelles calculées à partir de cette méthode se trouve encore renforcé par les tendances tout à fait similaires obtenues par le calcul de la contrainte moyenne réalisé à partir de la flèche des échantillons après projection.

Simulation numérique de l'écoulement laminaire bidimensionnel créé par un fil chaud placé sous une surface libre. Le code de calcul inclut les convections naturelle et de Marangoni, les transferts de chaleur à l’interface ainsi que la viscosité interfaciale. Analyse linéaire de stabilité dans le cas d'une couche liquide horizontale d'extension infinie, limitée par une paroi rigide et une surface libre. Modélisation

La Fabrication Directe par Projection Laser (FDPL) est un procédé novateur qui permet la réalisation de pièces de géométrie complexe à partir d'un jet de poudre. Les pièces sont obtenues en superposant différentes couches de matière à l'aide d'une buse coaxiale avec un faisceau laser. Cette technique de fabrication, très rapide, reste cependant peu répandue, en particulier du fait de l'irrégularité des surfaces. L'objet de ce travail est de développer des modèles numériques capables de prédire le paramètre d'ondulations caractérisant l'état de surface à partir uniquement des paramètres opératoires et des propriétés thermophysiques du substrat et de la poudre, dans le but de mieux comprendre les mécanismes responsables de l'état de surface dégradé. Une première étude a porté sur la fusion locale d'un barreau vertical sous l'action d'un laser afin de valider la mise en données du modèle numérique. Ce modèle thermohydraulique inclut les effets de tension superficielle et utilise la méthode ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) pour suivre la déformation de la surface libre. Ce modèle prédictif a été transposé au procédé FDPL en intégrant l'apport de matière dû au jet de poudre. Les caractéristiques de ce jet de poudre sont obtenues grâce à un modèle 3D prédisant la trajectoire des particules et leur échauffement sous l'action du faisceau laser. Ces données servent à définir les conditions aux limites de modèles 2D thermohydrauliques du bain fondu. Nous avons ainsi retrouvé, pour un substrat mince, la corrélation établie expérimentalement entre l'amplitude des ondulations et le taux de dilution. Il a été montré que, dans le cas de l'alliage de titane Ti-6Al-4V, un meilleur état de surface est obtenu pour une forte puissance laser, une vitesse de défilement élevée et un faible débit massique. La simulation 2D de dépôts multicouches a permis d'étudier l'influence de la stratégie de balayage et du temps de pause entre couches. Une étude de sensibilité a également été menée afin d'analyser le rôle de paramètres tels que le coefficient thermocapillaire ou la viscosité. L'étude a par la suite été étendue à un cas 3D pour étudier l'effet de la distribution énergétique du faisceau laser ainsi que les propriétés thermophysiques. La prédiction des différents modèles numériques développés à l'aide du code de calcul COMSOL Multiphysics® est validée grâce à des données expérimentales.

Pour stopper un emballement thermique dans un réacteur chimique, un moyen efficace consiste à introduire une faible quantité d'un inhibiteur liquide appelé « killer » dans la cuve agitée. Tout au long de cette thèse, l'approche expérimentale a été fortement couplée à la modélisation numérique par Computational Fluid Dynamics (CFD). La première partie du manuscrit porte sur l'hydrodynamique des réacteurs partiellement chicanés incluant la prise en compte du vortex central qui se forme à leur surface. L'utilisation d'une approche numérique multiphasique, non-homogène a permis de modéliser la déformation de la surface-libre, et la faisabilité de cette méthode innovante a été démontrée par un très bon accord entre prédictions numériques et données expérimentales. Dans une deuxième partie, l'introduction d'un jet de liquide sur la surface libre a été couplée à l'hydrodynamique du réacteur. Les résultats numériques, obtenus avec une approche Eulerienne-Lagrangienne, ont également montré un bon accord avec les données expérimentales. Ces résultats ont permis de modéliser la trajectoire du jet, de quantifier sa pénétration dans la cuve agitée, et de définir de nouveaux critères de mélange. Enfin, les méthodes numériques validées à l'échelle pilote ont été étendues à l'échelle industrielle et ont permis de proposer des améliorations concrètes pour une meilleure sécurité des réacteurs industriels étudiés.