Les transferts de chaleur par convection jouent un rôle important dans divers secteurs
industriels tels que la climatisation, le transport, la production chimique, la microélectronique
et la production d’électricité. Les fluides caloporteurs conventionnels tels que l’eau,
l’éthylène glycol et l’huile sont caractérisés par des propriétés thermiques relativement
limitées, ce qui réduit l’efficacité des systémes thermiques mis en jeu. L’avancée récente
dans le domaine des nanotechnologies a donné naissance à un nouveau type de particules
métalliques, et non métalliques, de tailles nanométriques, caractérisées par une conductivité
thermique trés élevée. Ces particules, appelées nanoparticules, sont généralement
dispersées dans un fluide de base et le mélange résultant constitue une nouvelle classe de
fluides caloporteurs nommés nanofluides.
Le domaine des nanofluides est un champ de recherche très vivant et leur application dans
les processus industriels devient de plus en plus répandue pour leurs remarquables propriétés
optiques, magnétiques, diélectriques ou électromagnétiques. Dans le présent projet,
seules les performances thermiques des nanofluides seront abordées.
Les nanofluides ont montré leur capacité à modifier les propriétés de transport et de transfert
de chaleur du fluide de base, ce qui constitue un grand potentiel d’amélioration pour
les processus de transfert de chaleur. Cependant, bien que l’ajout de nanoparticules solides
aux fluides de base augmente leur conductivité thermique, cela s’accompagne d’une
diminution de leur capacité calorifique et d’une augmentation de leur viscosité. Ceci entraine
une augmentation de la puissance de pompage requise. Les coûts de production des
nanoparticules et la difficulté à préparer des nanofluides stables dans le temps rendent,
pour l’instant, l’application des nanofluides dans l’industrie encore limitée.
Dans ce contexte, l’objectif principal de ce projet de recherche est d’évaluer en détail les
caractéristiques d’écoulements de nanofluides et les paramètres clés affectant leur performance
dans le processus de transfert de chaleur. Pour ce faire, des modèles numériques ont
été développés puis validés soigneusement avec des données issues de la littérature pour
des écoulements convectifs en régimes laminaire et turbulent. Bien que les configurations
choisies soient relativement canoniques, elles permettent d’évaluer les possibles avantages
des nanofluides dans des systèmes thermiques industriels et d’étudier l’influence des principaux
paramètres de contrôle, comme le débit d’entrée et la fraction en nanoparticules
entre autres.Abstract: Convective heat transfer plays an important role in various industrial sectors such as airconditioning,
transportation, chemical production, microelectronics or power generation.
Conventional heat transfer fluids such as water, ethylene glycol or oil exhibit relatively limited
heat transfer properties, which hinders the efficiency of thermal systems. The recent
advances in the field of nanotechnology gave rise to a new class of nanometeric metallic
and non-metallic particles characterized by their substantially higher thermal conductivities.
These particles, referred as nanoparticles, are dispersed into a conventional fluid,
creating a new class of heat transfer fluids named nanofluids.
The study of nanofluids is a viable research field and their application in various industrial
processes becomes more widespread due to their thermal, optical, magnetic, and electromagnetic
properties. In the present study, only the thermal efficiency of nanofluids will
be investigated.
Nanofluids have shown their ability to enhance the heat transfer performances of the host
fluid, which constitutes a great potential to increase the energetic efficiency of thermal
systems. However, adding solid nanoparticles to a base fluid would not only increase its
thermal conductivity but, it is also accompanied with a decrease of its heat capacity and
an increase of its dynamic viscosity, which may lead to an increased required pumping
power. The two main drawbacks of nanofluids, which limit their use in industrial systems
remain the prohibitive cost to produce nanoparticles and the difficulty to prepare and
stabilize nanofluids over a wide life cycle.
In this context the main objective of this research project is to study in detail the nanofluid
flow characteristics and the key parameters affecting their performance in heat transfer
process. To this end, Computational Fluid Dynamics techniques are used to propose a
numerical model able to simulate nanofluid flows taking into account several phenomena
due to the presence of the nanoparticles into a base fluid and then evaluate the benefits
from their using in industrial applications
