Transcript L`analyse de l`écoulement du fluide au sein d`un

1ere Conférence Euro-méditerranéenne sur la Télégestion,
l’Environnement et le Développement Durable
Oran le 19 & 20 octobre 2014
Thème
L’analyse de l’écoulement du fluide au sein d’un
capteur solaire plan à air par la simulation
numérique
Présenté par :Mr : AMRAOUI Mohammed Amine
Plan de travail
1)Introduction
2)Chapitre I :Généralité sur le rayonnement solaire et les capteurs solaires plans
3)Chapitre II: Analyse bibliographique
4)Chapitre III: Bilans thermiques pour les capteurs solaires plans
5)Chapitre IV: Présentation de la méthode des volumes finis
6)Chapitre V : Résultats et Interprétations
7) conclusion
Introduction
 Les énergies renouvelables ont connu une première phase de




développement à l'occasion des chocs pétroliers de 1973 et 1978,
Parmi les énergies renouvelables, nous citons l’énergie solaire, une
énergie exploitée depuis les millénaires.
Ce travail s’intéresse à l’étude du capteur thermique solaire plan à air. le
rendement faible de ce type des capteurs à ramené les chercheurs à
investigué d’autres moyens afin d’améliorer les performances du capteur
, d’où la naissance du deuxième type de capteur solaire plan à air munis
de chicanes comme promoteurs de turbulence favorisant ainsi un
meilleur transfert de chaleur entre l’absorbeur et fluide caloporteur
(l’air).
Dans ce présent mémoire, nous avons donné un autre moyen afin
d’améliorer les performances du capteur. Nous avons ajoutée avec les
chicanes des rugosités au niveau de l’isolant.
Une étude comparative entre un modèle des capteurs solaires sans
rugosité, un modèle avec rugosité circulaire.
Chapitre I :Généralité sur le
rayonnement solaire et les
capteurs solaires plans
1) Généralités sur le soleil
2) Caractéristiques techniques
des capteurs solaires plans
3) Différents types des capteurs
solaires plans à air
4) Les applications des capteurs
solaires plans à air
Généralités sur le soleil

Le soleil est situé au centre d’un système dit « système solaire »dont la
terre faite partie avec d’autres planètes.
Figure.1- Bilan du rayonnement solaire arrivé au sol Figure2. Rayonnement solaire annuel dans le monde (KWh/m².an)
Caractéristiques techniques
des capteurs solaires plans
Le rôle d’un capteur solaire thermique est de transformer le
rayonnement solaire qu’il reçoit en énergie calorifique utilisable.
Figure 3- Schéma de principe d’un capteur solaire plan
Caractéristiques techniques
des capteurs solaires plans
1) L’absorbeur
absorber le rayonnement solaire et transmettre la chaleur produite vers
le fluide caloporteur avec un minimum de pertes.
Support et traitement
Acier nickel noir sur nickel
Acier et chrome noir sur nickel
Acier et chrome noir
Cuivre et chrome noir
Acier galvanisé et chrome noir
Cuivre e cuivre noir
Acier et oxyde de fer
Aluminium et oxyde de manganèse
Acier et couche organique sur chrome noir
α
0,95
0,95
0,91
0,95
0,95
0,88
0,85
0,70
0,94
ε
0,07
0,09
0,07
0,14
0,16
0,15
0,08
0,08
0,20
Peinture noir époxy
Peinture blanche époxy
0,95
0,25
0,18
0,91
Tableau 1- Le coefficient d’absorption α et le coefficient d’émission ε pour les
supports les plus utilisés comme absorbeur
Caractéristiques techniques
des capteurs solaires plans
2) La couverture transparente
La couverture a une fonction de protection de l‘absorbeur.
Matériaux
Transmisivité à incidence normale
λ’ = 0,4-2,5 μ m
λ’ = 2,5-0,4 μ m
Le verre
0.83-0.91
0.00-0.03
Les plastiques en feuilles
0.76-0.92
0.02-0.06
Les plastiques en films
0.85-0.87
0.2-0.26
Tableau 2 - « transmistivité de divers types de couvertures dans les gammes du
visible et de l’infrarouge
3) L‘isolant
Limiter les pertes de transmission vers l‘extérieur est primordial pour
optimaliser les performances du capteur
Caractéristiques techniques
des capteurs solaires plans
Désignation
λ (w/m °K)
ρ (Kg/m3)
Température maxi
d’utilisation
Observation
Laine de verre
0.034à0.053
70
150
Sensible à
l’humidité
Mousse de verre
0.057
123
150
Sensible à
l’humidité
bois
0.13à0.4
123
150
Liège exposé
0.045
100
polystyrène
0.042
15
85
polyuréthanne
0.035
35
85
Moulé
comprimé
Moulé
comprimé
Tableau 3- conductivité thermique de quelque matériau .
4) Le fluide caloporteur
Le fluide caloporteur est utilisé dans le circuit primaire de capteur solaire a
pour rôle de véhiculer le chaleur cédée par l’absorbeur, différents fluides
peuvent être utilisée :l’air ,l’eau et les gilotherms
Différents types des capteurs
solaires plans à air
1) Capteurs à absorbeur plan
Figure 4- Les types génériques principaux d’écoulements.
2) Capteurs à absorbeur perméable
L’amélioration du rapport surface d’échange sur projection de la surface
d’absorbeur consiste à utiliser un absorbeur poreux.
1-vitre.
2-absorbeur poreux.
3-isolant.
Figure 5- Capteurs à absorbeur perméable.
Différents types des capteurs
solaires plans à air
3) Capteurs à absorbeur à géométrie variable
Figure6-différents type d’absorbeur
Les applications des capteurs
solaires plans à air
1) Chauffages et climatisation des habitations
Le principe est présenté sur la Figure 5, consiste à chauffer le fluide dans le
capteur solaire, l’air est véhiculé par ventilateur vers des points d’utilisations.
1)Capteur solaire plan à air
2)Filtre
3)Ventilateur
4)Entrées d'air
5)Sorties d'air
Figure 7- Chauffages est climatisation des habitations
2) Le séchage
Utilisation des capteurs solaire à air pour le séchage des récoltes est idéale
dans le cas du thé, du café, des fruits, des fèves, du riz, des épices, du
caoutchouc, du cacao et du bois.
Chapitre II: Analyse bibliographique
-Ahmed-Zaïd , A. Moulla , M. S. Hantala et J.Y. Desmons présentent une comparaison
entre les résultats obtenus dans les cas du capteur solaire muni d’obstacles et du capteur sans
obstacles (SC). Les différentes formes des chicanes étudiées, les Delta Cintrées
Longitudinalement (DCL), Ogivales Cintrées Longitudinalement (OCL) et TransversalesLongitudinales (TL).
Figure 8 : Disposition des obstacles DCL
Figure 9: Disposition des obstacles OCL
Figure 10: Capteur muni d’obstacles TL
Cette étude a montré que l'usage des chicanes dans la veine dynamique d’un capteur solaire
plan demeure un moyen efficace pour l'amélioration de ses performances. L’ensemble des
résultats présentés montre bien la nette amélioration apportée par l’utilisation des obstacles
TL et DCL.
Chapitre II: Analyse bibliographique
-K. Aoues et Al ont introduit dans la veine d’air mobile des chicanes qui
jouent un rôle à double aspect (la turbulence de l’ écoulement et
la
prolonge le parcoure de fluide caloporteur) , favorisant le transfert
thermique au fluide caloporteur :
Figure 11 : Dispositif expérimental
Figure 12 : Schéma descriptif des chicanes
Cela s’explique par le fait que les chicanes du modèle 1 permettent
l’orientation du fluide caloporteur en écoulement vers la plaque absorbante,
d’où l’augmentation des échanges convectifs. Par contre, les chicanes du
modèle 2 orientent le fluide caloporteur vers la plaque inférieure.
Chapitre III: Bilans thermiques pour les
capteurs solaires plans
1) Bilan thermique global de la paroi absorbante
Figure 13- schéma de principe d’un capteur solaire plan
Le bilan thermique de la paroi absorbante s’écrit :
(W)
(W)
Chapitre III: Bilans thermiques pour les
capteurs solaires plans
2)Expression du coefficient global de pertes
a)Capteur solaire couvert de type 1
Figure 14- schématisation des flux convectifs dans un capteur couvert de type 1
Pertes thermiques vers le haut
Les pertes thermiques vers le haut peuvent s’écrire :
Chapitre III: Bilans thermiques
pour les capteurs solaires plans
Le flux perdu vers le haut par la plaque absorbante peut alors
s’écrire :
Soit encore :
Chapitre III: Bilans thermiques
pour les capteurs solaires plans
Pertes thermiques vers le bas
Pertes thermiques totales
Chapitre III: Bilans thermiques
pour les capteurs solaires plans
Capteur solaire couvert de type 2
Figure 15- schématisation des flux convectifs dans un capteur solaire couvert de
type 2
Chapitre III: Bilans thermiques
pour les capteurs solaires plans
Capteur solaire non-couvert de type 3
Figure 16- schématisation des flux convectifs dans un capteur solaire non-couvert
de type 3
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
1) Présentation de la méthode des volumes finis
Figure 17 : maillage et volume de contrôle
Figure 18: Illustration de la notion de maillage
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
Figure 19: Quelques types d'éléments
Figure 20: Exemples de maillages
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
(IV.1
(IV.2
Figure 21 : grilles décalées « staggered grid ».
(a) U.C.V et (b) V.C.V
)
2 )Discrétisation de l’équation de la quantité de mouvement

t
 ud   uVnds  

Uxx
nds   P1 nds  S u
s


 t
s


ud




p


t
u
n 1
e
 u en 
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
.
m   Vnds   .u.s
s
 xx E
u u
 u 
 2    2 ee e
x
 x  E
.
.
m e  m ee
mE 
2
.
 
yx E
 Vnds  u
v v
u u
 v u 
 2     2 en n   en e
x
y
 x y  E

vd  vVnds  v nds  Pv nds     0 gd

t 
s
s
s

    gd     gd

E
SE
  Pnds  PE S E  PP S P 
0
.
0
1
   x i  xi 1  y j 1  y j 1 
2
mE
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
ae u e  aeeu ee  a ne u ne  a we u we  a se u se  Pp  PE Ae  bU

a n vn  a nn vnn  a s v s  a ne vne  a nw vnw  Pp PN AN  bv

ac u c   avoi sin s u voi sin s  Ae  p p  p E   bu

(IV.1
(IV.2


a
v

a
v

A
p

p
 bv

n
p
N 0)
 n n  voi sin s voi sin s
7)
8)
9)
3 )Discrétisation de l’équation d’énergie :



Td



Tunds


Tvnds

gradTnds S T




t 
c
s
s
s
c
c
F

.
 Tunds  mc Tc
sc

sc

Fnc 
.
 Tvnds  m n Tn
sn

  T 
c T  T y
gradTnds  
y 
E
p
c
xE  x p
 c x 
apTp  avoi sin  Tvoi sin  S P
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
4) Principe de SIMPLE




*
*
*
*

a
u

a
u

A
p

p
 voi sin s voi sin s c p E  bU
 c c

*
*
*
*
a
v

a
v

A
p

p

 voi sin s voi sin s n p N  bv
 n n


p  p*  p ,
u u
*
u


/
/
/
ac u c*   avoi sin s u voi

A
p

p
sin s
c
p
E  bU
 /
/
/
/
an vn   avoi sin s vvoi sin s  An p p  p N  bV
,
v  v*  v ,




/
/
/

a
u

A
p

p
 bU
c
c
c
p
E


/
/
/
a
v

A
p

p
 bV

n
n
n
p
N

uc  y  umy  vn x  vs x  0







 *

( Pp/  Pc/
Pw,  Pp,
*
u

A

u

A
y 
c
w
w
 c
ac
aw 


 *

( Pp/  Pn/
Ps,  Pn,
*
v

A

v

A
x  bU  bV  0
n
s
s
 c
an
as 



Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
a p P  aE P  aw P  a N P  as P  b
,
p
,
E
,
w
,
N
,
s
a p   Ae ae  Aw a w y   AN a N  As a s x
a E  Ae y ae
a p  Aw y a w
a N  AN x a n
a s  As x a s


b  u w*  u e* y  (v s*  vn* )x  bU  bV
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
5) L’algorithme SIMPLE
Propriétés physiques du fluide
*  p * , u * , v* ,...
Résolution des équations discrétisées de la
quantité de mouvement
p*= p, u*= u
v*= v
Résolution de l’équation de la correction
de la pression
Résolution de l’équation de l’énergie
Non
Convergenc
e
Oui
Fin
Figure 22: Schéma représentatif de l’algorithme SIMPLE
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
6) Présentation du logiciel FLUENT
Figure 23-Lancement du Gambit
Figure 24-Les opérations pour construire une géométrie
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
Figure 25-Définition des frontières
Figure 26-Exportation du maillage
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
Figure 27-Importation de la
géométrie
Figure 28-Choix du solveur
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
Figure 29- Equation de l’énergie
Figure 31-Définition des caractéristiques du
fluide
Figure 30-Choix du modèle de turbulence
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
Figure 32-Choix de la pression de référence
Figure 34-Vitesse d’entrée
Figure 33-Valeurs des conditions aux limites
Figure 35-Parois inférieure et supérieure
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
Figure 38-Initialisation du calcul
Figure 36-Pression à la sortie
Figure 37-Choix d’ordre des équations et l’algorithme
Figure 39-Choix des critères de convergence
Chapitre IV: Présentation de la
méthode des volumes finis
Figure 40-Choix du nombre des itérations
Figure 40-La convergence de la solution
Chapitre V : Résultats et
Interprétations
chicanes
0.218
absorbeur
0.174
y
0.080
0
x
0.146
0.142
0.080
vitesse d'entrée
0.554
isolant
Figure
41-La géométrie étudiée
chicanes
0.218
absorbeur
0.174
y
0.146
0.080
0
x
0.142
0.02
0.02
0.080
vitesse d'entrée
0.554
isolant
Figure 44-rugosité circulaire
Chapitre V : Résultats et
Interprétations
2)Validation des résultats
notre etude numérique
etude numérique de demartini
0,08
0,06
0,04
position(m)
0,02
0,00
-0,02
-0,04
-0,06
-0,08
-10
0
10
20
30
40
vitesse axial(m/s)
Figure 45-comparaison des résultats
Chapitre V : Résultats et
Interprétations
3)Discussions et interprétations
3.1) les lignes de courant
C
A
D
E
B
Figure 46-les lignes de courant (type 01 sans rugosité)
Figure49lignes de courant (type 04 rugosités circulaires)
Chapitre V : Résultats et
Interprétations
3-2)le vecteur de vitesse V
A
D
B
E
C
F
Figure 52-Le vecteur de vitesse V (sans rugosité)
Figure 55-Le vecteur de vitesse V (rugosités circulaires)
Chapitre V : Résultats et
Interprétations
3-3)la Composante de la vitesse longitudinale u
A
D
B
E
C
F
Figure 56-Composante de la vitesse longitudinale u (sans rugosité)
Figure 59-Composante de la vitesse longitudinale u (rugosités circulaires)
Chapitre V : Résultats et
Interprétations
3-4)la Composante de la vitesse transversale v
Figure V 17-Le vecteur de vitesse v (sans rugosité)
Figure V 20-Le vecteur de vitesse v (rugosités circulaires)
Chapitre V : Résultats et
Interprétations
3-5)Champs des températures
Figure V- 21-le champ de température (sans rugosité)
Figure V -24-le champ de température (rugosités circulaires)
Chapitre V : Résultats et
Interprétations
3-6)Energie cinétique turbulente k
Figure V -25-les lignes de k (sans rugosités)
Figure V -28-les lignes de k (rugosités circulaires)
Chapitre V : Résultats et
Interprétations
3-7)Taux de dissipation ε
Figure V- 29-les lignes de epsilon (sans rugosités)
Figure V -32-les lignes de epsilon (rugosités circulaires)
Chapitre V : Résultats et
Interprétations
3-8)Les profils de la vitesse
sans rugosité
rugosité circulaire
0,00
sans rugosité
rugosité circulaire
0,08
-0,01
-0,02
0,06
-0,03
position (m)
0,04
position (m)
0,02
0,00
-0,04
-0,05
-0,02
-0,06
-0,04
-0,07
-0,06
-0,08
-0,08
-5
-2
0
2
4
6
8
10
12
0
5
14
10
15
20
25
30
vitesse axial (m/s)
vitesse axial (m/s)
Figure V -33-profile de vitesse x=0.15m
Figure V -34-profile de vitesse x=0.223m
sans rugosité
rugosité circulaire
0,08
0,08
sans rugosité
rugosité circulaire
0,07
0,08
0,04
0,06
0,06
0,02
0,05
0,06
sans rugosité
rugosité circulaire
0,00
-0,02
0,02
position (m)
position (m)
position (m)
0,04
0,04
0,03
-0,04
0,00
-0,02
-0,04
0,02
-0,06
-0,06
0,01
-0,08
-0,08
0,00
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
vitesse axial (m/s)
20
25
30
-10
-5
0
5
10
15
20
25
vitesse axial (m/s)
Figure V -35-profile de vitesse x=0.299m Figure V -36-profile de vitesse x=0.375m
-10
0
10
20
30
40
vitesse axial (m/s)
Figure V -37-profile de vitesse x=0.467m
conclusion






Ce travail présente une contribution efficace pour l’amélioration des performances d’un capteur solaire
plan à air.
L’amélioration des performances des capteurs solaires consistait à limiter les déperditions thermiques
entre l’absorbeur et l’ambiance avec un choix judicieux des composants des capteurs. C’est derniers temps,
l’optimisation des performances porte plus particulièrement sur la circulation du fluide caloporteur.
Cette partie de simulation nous à montrer que dans le cas sans rugosité on partie amont de la première
chicane zone « A » les dimensions de volume mort sont important, cela présente un inconvénient majeur
surtout pour. Le fait d’imposer une rugosité au niveau de l’isolant cela va faire diminuer les dimensions de
volume mort.
Grace à la rugosité , la vitesse est très importante dans la zone «D et E » voir Par rapport au premier type
sans rugosité ou la vitesse est très faible.
le cas sans rugosité l’échange thermique entre l’absorbeur et le fluide caloporteur devient importante juste
en aval de la deuxième chicane par contre pour les cas avec rugosité l’échange thermique entre l’absorbeur
et le fluide caloporteur prennent des valeurs importantes et progressives a partir de la première chicane.
Les résultats obtenus à partir des différents types de capteurs solaires considérés permettent de déduire
que l’introduction de rugosité au niveau de l’isolant est un facteur très important pour l’amélioration des
performances d’un capteur. Cette adjonction nécessite, bien entendu, la prise en considération de la
géométrie de la rugosité.
Merci pour
votre aimable
attention