Convection naturelle dans une cavité confinée: une modélisation 2D ½

Le sujet de thèse porte sur les effets de la convection naturelle et forcée sur le changement de phase solide-liquide. Un intérêt est porté aux métaux purs et aux alliages métalliques. Ce travail s'effectue dans le cadre d'une cotutelle internationale de thèse entre l'Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene (USTHB) d'Alger et l'Institut National des Sciences Appliquées Lyon (INSA Lyon). A Lyon, le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique, et à Alger, le Laboratoire de Thermodynamique et Systèmes Énergétiques (LTSE), accueillent le doctorant en alternance. Le salaire du doctorant est financé par à une bourse ministérielle algérienne, et ses séjours en France par une bourse d'excellence cofinancée par les gouvernements français et algérien dans le cadre du programme ?Profas B+'. Ces travaux sont codirigés par le Pr. V. Botton, et le Dr. S.Millet, pour l'Université de Lyon et par le Pr. A. Benzaoui, et le Dr R .Boussaa pour l'USTHB d'Alger. Cette collaboration permet d'assoir les projets de coopération entre les équipes de recherche des deux laboratoires partenaires, par ailleurs soutenus par un projet PHC Maghreb (Algérie, France, Maroc et Tunisie). Le but de l'étude est de réaliser un modèle numérique efficace d'une expérience de solidification dirigée dans une géométrie élancée. L'objectif est de permettre une résolution à la fois précise et rapide de sorte qu'une étude paramétrique soit possible, par exemple dans le cadre de méthodes d'optimisation. Dans notre cas, nous considérons le montage expérimental ?AFRODITE' mis en ?uvre au laboratoire EPM-SIMaP (à Grenoble) [1]. Le creuset est une cavité parallélépipédique de 10 cm de longueur, 6 cm de hauteur et d'une épaisseur de 1 cm. Le gradient de température imposé est horizontal et la direction de solidification est suivant la longueur. Il a été précédemment constaté que les modèles numériques purement 2D (considérant une cavité 10 cm * 6cm) peinaient à reproduire la réalité physique du processus de solidification notamment l'avancée et la forme de l'interface solide/liquide tout en prédisaient des niveaux de convection et d'instationnarité trop élevés. Nous attribuons cela au confinement latéral (faible valeur de l'épaisseur) par les deux grandes parois verticales le délimitant : l'écoulement de la phase liquide est fortement ralenti par l'adhérence à celles-ci. Les modèles 3D pallient ce manque, mais restent coûteux en temps et/ou en moyens de calcul [2]. Un modèle 2D modifié dit 2D ½ a été proposé [3]. Celui-ci est basé sur une approche intégrale suivant la direction transverse (celle de la petite dimension). Il est obtenu en supposant une température invariante sur cette direction, ce qui est vraisemblable pour les métaux liquides, à faible nombre de Prandtl, et en choisissant une forme de profil transverse de vitesse présentant un c?ur uniforme et deux couches limites près des parois. Ce modèle présente à la fois l'avantage de prendre en compte au premier ordre la dissipation de l'énergie mécanique due aux parois latérales et dans une formalisation mathématique 2D. Deux modèles 2D ½ sont repris. On compare les résultats obtenus par les différents modèles 2D, 2D ½ et 3D. On montre que pour les faibles nombres de Prandtl, et ce pour différents nombres de Grashof, le modèle 2D ½, avec un choix adéquat du type de profil transverse de vitesse considérée, peut se substituer au modèle 3D. [1] Hachani et al., International Journal of Heat and Mass Transfer, 85,438-454, (2015). [2] Boussaa et al., International Journal of Heat and Mass Transfer, 100, 680-690 (2016). [3] Botton et al., International Journal of Thermal Sciences, 71, 53-60 (2013)

H&TECH

ABSTRACT In this paper, we investigate theoretically the natural thermoconvection phenomena near a vertical plate for two thermal boundary conditions at the sidewalls. A specifically developed analytical model based on the new integral method form is used for the solution of the momentum and energy transfer governing equations. From an adequate choice of velocity and temperature expressions, two new Nusselt-Rayleigh relations, depending on the sidewalls conditions, are derived for all Prandtl numbers. Comparisons among the different thermal configurations considered are reported. In particular, with reference to the typical configuration wherein the sidewalls are isothermal and in uniform heat flux, it is found that the NusseltRayleigh coefficient given via this method indicates a good agreement with the theoretical and experimental results for all Prandtl numbers

Taylor-Couette flow control by amplitude variation of the inner cylinder cross-section oscillation

The hydrodynamic stability of a viscous fluid flow evolving in an annular space between a rotating inner cylinder with a periodically variable radius and an outer fixed cylinder is considered. The basic flow is axis-symmetric with two counter-rotating vortices each wavelength along the whole filled system length. The numerical simulations are implemented on the commercial Fluent software package, a finite-volume CFD code. It is aimed to make investigation of the early flow transition with assessment of the flow response to radial pulsatile motion superimposed to the inner cylinder cross-section as an extension of a previous developed work in Oualli et al. [H. Oualli, A. Lalaoua, S. Hanchi, A. Bouabdallah, Eur. Phys. J. Appl. Phys. 61, 11102 (2013)] where a comparative controlling strategy is applied to the outer cylinder. The same basic system is considered with similar calculating parameters and procedure. In Oualli et al. [H. Oualli, A. Lalaoua, S. Hanchi, A. Bouabdallah, Eur. Phys. J. Appl. Phys. 61, 11102 (2013)], it is concluded that for the actuated outer cylinder and relatively to the non-controlled case, the critical Taylor number, Tac1, characterizing the first instability onset illustrated by the piled Taylor vortices along the gap, increases substantially to reach a growing rate of 70% when the deforming amplitude is ε = 15%. Interestingly, when this controlling strategy is applied to the inner cylinder cross-section with a slight modification of the actuating law, this tendency completely inverts and the critical Taylor number decreases sharply from Tac1 = 41.33 to Tac1 = 17.66 for ε = 5%, corresponding to a reduction rate of 57%. Fundamentally, this result is interesting and can be interpreted by prematurely triggering instabilities resulting in rapid development of flow turbulence. Practically, important applicative aspects can be met in several industry areas where substantial intensification of transport phenomena (mass, momentum and heat) is needed such as in chemical reactors, combustors, heat exchangers and cylindrical water filters

Taylor-Couette flow control using the outer cylinder cross-section variation strategy

A numerical study of a controlled flow evolving in a Taylor-Couette system is presented in this paper. The study is devoted to investigate the effect of the outer cylinder cross-section variation on the flow behavior. It is aimed to make assessment of the flow response in terms of the criticality of the early transitional flow regimes and the accompanying flow topology alterations. The numerical simulations are carried out on the Fluent software package for a three-dimensional incompressible flow. The basic system is characterized by a height H = 200 mm, a ratio of the inner to the outer cylinders radii η = 0.9, an aspect ratio corresponding to the cylinders height reported to the gap length Г = 40 and a ratio of the gap to the radius of the inner cylinder δ = 0.1. The numerical deformation of the outer cylinder is executed using the dynamic mesh program according to a predefined function implemented in a homemade program as an UDF (user defined function). It is established that the first instability mode of transition is retarded from Tac1 = 41.33, corresponding to the first Taylor number critical value, to Tac1 = 70 when the deforming amplitude is equal to 15% the external cylinder diameter value. This flow relaminarization process is accompanied by substantial modifications in the flow behavior and configuration

Effect of rotation on the stability of side-heated buoyant convection between infinite horizontal walls

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Damage in flax/epoxy quasi-unidirectional woven laminates under quasi-static tension

The damage initiation and development in flax/epoxy laminates under quasi-static tension is studied. The laminates are made of quasi-unidirectional woven prepregs in different configurations [0]8, [0, 90]2S, [45, 45]2S and [0, 90, þ45, 45]S, and processed using an autoclave. The damage was monitored during the tensile test using acoustic emission and observed by post-mortem microscopy of the samples. The stress–strain curves illustrate the ductile behaviour of the [þ45, 45]2S composite, whereas in the other composites a more brittle behaviour was observed. Non-linearity of the stress–strain curves is explained by the intrinsic non-linearity of flax fibres in tension. The combination of the stress–strain data and the registered acoustic emission data is used to identify the damage initiation and propagation thresholds. The damage thresholds are the lowest in the [0]8 laminate and the highest in the [þ45, 45]2S laminate. The observed fracture zones and damage mode are cracks inside and on the boundary of technical fibres, cracks on the boundary of tows, matrix cracking, fibre pull-out and fibre breakage. A notable feature of the damage behaviour is almost full absence of transverse matrix cracks inside tows in 90 plies, which are the major damage modes in glass- and carbon-reinforced plastics. This is attributed to the low stress concentrations in transverse direction due to the low transverse modulus of flax fibres.status: publishe

Laminar-turbulent transition regimes in the conical Taylor-Couette flow system

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