Au cours des 10 dernières années, une nouvelle classe de fluides constitués de nanoparticules métalliques en suspension dans un liquide, appelés nanofluides, est apparue. Les nanoparticules les plus utilisées dans la recherche sur les nanofluides sontAl2O3,CuO, T iO2,Ag, Au, Cu, F e
et les nanotubes de carbone (NTC). Les fluides de base communément utilisés dans la prépa- ration des nanofluides sont ceux d’usage commun dans les applications de transfert de chaleur à savoir l’eau, l’éthylène, le glycol et l’huile de moteurs. Afin d’améliorer la stabilité des na- noparticules à l’intérieur du fluide de base, certains additifs sont ajoutés au mélange en petites quantités. Les nanoparticules utilisées dans la préparation des nanofluides ont généralement un diamètre inférieur à100 nm. Lorsque les particules ne sont pas sphériques, mais en forme de
barre ou de tube, le diamètre est encore plus faible, mais la longueur des particules peut être de l’ordre du micromètre. Notons également qu’en raison du phénomène de la formation en grappes, des particules peuvent former des grappes avec des tailles de l’ordre du micromètre. Afin de prédire la conductivité thermique de nanofluides, de nombreux modèles théoriques ont été développés récemment. Cependant, il existe toujours une controverse sur l’interpréta- tion de l’amélioration de la conductivité thermique des nanofluides. Ainsi, aucun des modèles théoriques développé ne peut complètement expliquer l’amélioration de conductivité thermique dans les nanofluides [101]. D’autre part, certains chercheurs ont rapporté des données expé- rimentales de la conductivité thermique qui est compatible avec les prédictions des modèles classiques (comme le modèle de Hamilton et Crosser [61]). Pour les travaux de recherche por- tant sur le transfert de chaleur et les propriétés des nanofluides, il faut se référer aux études de Eastman et al. [50], Maïga et al. [77] et Wang et Mujumdar [132].
Certains travaux théoriques et expérimentaux ont conduit à la détermination de la conductivité thermique de ces nanotubes de carbone (3000W/m.K pour les nanotubes de carbone multi-
feuillets et6000W/m.K pour les nanotubes de carbone mono-feuillet [14]. Ce sont les études portant sur les nanofluides à base de nanotubes de carbone qui ont montré les augmentations de conductivité thermique les plus élevées. Ces dernières sont de l’ordre plus de 160% pour des concentrations en volume de 1% [36]. Cette augmentation de conductivité thermique peut être prédite par la théorie du milieu effectif qui prévoit de fortes augmentations de conductivité thermique pour des fluides contenant des nanoparticules ayant un grand rapport d’aspect [68]. La principale difficulté rencontrée avec les nanofluides à base de nanotubes de carbone est de
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disperser de manière stable dans le temps les nanotubes de carbone dans le liquide de base [133].
Le problème de la convection naturelle dans une cavité différentiellement chauffée remplie de nanofluides a été étudié numériquement par Khanafer et al. [70]. Ils ont utilisé respectivement les modèles de Brinkman [26] et de Wasp pour évaluer la viscosité et la conductivité effective du nanofluide. La convection naturelle de nanofluides dans une cavité rectangulaire horizontale a été numériquement étudiée par Bennacer et al. [12], en tenant compte de l’effet Soret. Ils ont proposé une formulation modifiée des équations de conservation régissant l’écoulement et le transfert de chaleur dans les nanofluides, prenant en compte des changements importants de la conductivité thermique et de la viscosité du nanofluide ainsi que la variation spatiale de la concentration de nanoparticules induite par l’effet Soret. Les résultats ont montré que la prise en compte de l’effet Soret augmente le transfert de chaleur dans les nanofluides.
Patel et al. [102] ont proposé une nouvelle approche pour déterminer la conductivité thermique du nanofluide à base de nanotubes de carbone. Le modèle prévoit une variation linéaire de la conductivité thermique du nanofluide à base de nanotubes de carbone avec la fraction volu- mique, ce qui correspond avec les données expérimentales.
Les résultats expérimentaux obtenus par Donzelli et al. [48] ont montré le rôle important que peut jouer la thermodiffusion dans les nanofluides. Ils ont montré qu’en ajoutant une petite quantité de nanoparticules thermophiles à l’eau, le processus de la convection de Rayleigh- Bénard changeait radicalement. Elhajjar et al. [54] ont étudié l’influence des nanoparticules sur le transfert de chaleur conductif et convectif. Contrairement à ce que de nombreux auteurs ont obtenus, Ils ont montré que dans la configuration de Rayleigh-Bénard, après l’apparition de la convection, le transfert de chaleur est plus élevé dans le fluide de base par rapport au nanofluide. Le nombre de Rayleigh dans les nanofluides diminue avec l’augmentation de la fraction volumique des nanoparticules. Ainsi, les nanoparticules en suspension dans l’eau vont retarder l’apparition de la convection dans ce dernier.
Abu-Nada et al. [1] et Alloui et al. [2] ont constaté que le transfert de chaleur par convection est considérablement affecté par le modèle utilisé pour prédire la viscosité effective du nanofluide. Toutefois, le choix du modèle utilisé pour prédire la conductivité thermique semble être moins importante. Özerinç et al. [101] ont passé en revue les modèles de conductivité thermiques effectifs de nanofluides et ont fait des comparaisons entre des travaux expérimentaux et des prédictions théoriques. Les résultats montrent qu’il existe des divergences significatives entre les données expérimentales disponibles et les prédictions de modèles théoriques. Il existe de nombreuses autres études numériques sur les nanofluides dans la littérature. Wang et Mujumdar [131] fournissent un résumé de ces études numériques et passent aussi en revue quelques études théoriques quant au transfert thermique convectif dans les nanofluides.
Dans cette étude, nous nous intéresserons particulièrement à des nanofluides à base de nano- tubes de carbone de conductivité thermique bien supérieure aux autres nanofluides. Dans cette
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Séparation thermodiffusionnelle des constituants d’un nanofluide à base de nanotubes de carbone
étude, Nous avons effectué 2 expériences sur deux nanofluides. Le premier est constitué de na- notubes de carbone, d’eau et de Carboxymethylcellulose (CMC) comme dispersant et le second est constitué de nanotubes de carbone et de N-Methyl-2-Pyrrolidone comme fluide de base.