Ce projet de recherche a contribué de multiples façons à améliorer la compréhension des tubes à vortex. Voici les contributions originales principales de cette thèse :
– Une revue de la littérature des modèles analytiques prédisant les performances des tubes à vortex est présentée. Celle-ci a montré beaucoup de similitudes entre les modèles, mais elle a également permis d’exclure certaines pistes de solution, dont l’analogie avec les échangeurs de chaleur.
– Un nouveau modèle analytique est proposé. Celui-ci est le premier à adéquatement prédire la température de sortie des tubes à vortex de manière quantitative et qualitative.
– Le nouveau modèle a démontré que le paramètre ayant le plus d’influence sur les tubes à vortex est le ratio entre la pression chaude et la pression froide. La pression froide est négligée la plupart du temps dans la littérature.
– Ce modèle a démontré que les pertes par friction en amont et en aval des tubes à vortex ont un impact majeur sur leurs performances et sur la destruction d’exergie. C’est la première fois que l’impact de la friction sur les performances des tubes est quantifié.
– Le modèle montre également que la couche limite de Bödewadt qui se forme près de l’en- trée a un impact majeur sur les performances des tubes pour une faible fraction massique. – Pour la première fois, des réseaux de neurones artificiels sont entrainés à partir de données publiées provenant de plusieurs sources afin de prédire la température de sortie et le débit massique des tubes à vortex.
– Un réseau de neurones prédit la température totale de sortie froide (T0c) en utilisant seule-
ment P0in, µc, L/Dvt et Dc/Dvt. Un second réseau de neurones prédit le débit massique
( ˙min) en utilisant seulement P0in, µc, Dvtet An. Ces facteurs sont donc ceux qui ont le plus
d’influence sur la performance des tubes.
– Le modèle analytique sépare le processus de transfert de chaleur en plusieurs étapes. Le modèle est combiné avec le concept d’exergie de transit, c’est à dire l’exergie qui traverse le dispositif sans aucune modification [28]. Cette combinaison permet de quantifier les
pertes exergétiques à différentes étapes du processus. En se basant sur les données expéri-
mentales de Camiré [32], ce modèle a démontré que la consommation d’exergie cinétique est dominante à l’intérieur du tube. À l’extérieur, 45% de l’exergie disponible à l’entrée est détruite en aval du tube lorsque le tube opère à la condition optimale.
– L’optimisation exergétique d’un tube permet de faire passer l’efficacité exergétique de
2.88% (meilleur résultat de Camiré) à 4.4%, soit une augmentation de 53%.
– Le modèle démontre que l’ajout de tubes en cascade permet d’augmenter l’efficacité exer-
gétique considérant l’exergie en transit lorsque le ratio de pression est supérieur à celui qui est nécessaire pour générer un écoulement sonique. De plus, une configuration avec un éjecteur est testée, mais celle-ci est moins performante.
– Pour les modélisations numériques, cette thèse propose une nouvelle approche afin de déterminer les paramètres optimaux de modélisation en utilisant la méthode des plans d’expériences factoriels fractionnaires et l’analyse de la variance (ANOVA). Pour ce faire, un modèle 2D du tube de Camiré [32] est créé. Cette analyse démontre que le modèle
k− ϵ standard, le plus utilisé pour la modélisation de tubes à vortex, n’est pas du tout
approprié pour cet usage. Le modèle k− ω SST permet d’estimer plus précisément la
fraction massique froide et la pression de sortie du côté chaud.
– Le modèle numérique a démontré que les solveurs basés sur la pression sont excellents pour obtenir rapidement une solution initiale. Toutefois, un solveur basé sur la densité est nécessaire pour modéliser précisément l’écoulement compressible dans un tube à vortex. – Pour la prédiction de la température de sortie froide, l’équation de l’énergie basée sur la
conductivité équivalente est inadéquate. Un terme additionnel est ajouté à l’équation de l’énergie pour tenir compte des échanges de chaleur générés par des particules se dépla- çant dans un gradient de pression. Avec ce terme additionnel, les simulations numériques
utilisant le modèle de turbulence k− ω SST prédisent adéquatement la température de sortie froide pour les plus hautes fractions massiques. Avec ce terme additionnel, la tem- pérature statique au centre du tube à vortex est plus faible qu’en périphérie. Cette décou- verte confirme que les modèles basés sur une analogie avec les échangeurs de chaleur sont inadéquats et vient conforter les découvertes de Cockerill [39], Shtern et Borissov [173], Khait et coll. [88] et Kobiela et coll. [94].
– Les modélisations numériques ont permis de confirmer la présence de la couche limite de Bödewadt près de l’entrée, mais aussi d’un éclatement tourbillonnaire dans le tube froid pour les plus faibles fractions massiques. Ces deux mécanismes sont liés à la moins bonne performance des tubes à vortex dans ces conditions. Obtenir des simulations plus précises pour ces deux éléments pourrait permettre d’obtenir de meilleures prédictions de la température de sortie froide pour les faibles fractions massiques.
– Le modèle 2D utilisant des modèles de turbulence à deux équations ne permet pas de prédire adéquatement les profils de vitesse dans le tube, ce qui explique la piètre per- formance des modèles pour la prédiction de la zone de recirculation du côté froid. Cette thèse propose plusieurs pistes de solutions pour améliorer les prédictions des modèles de turbulence basés sur la moyenne de Favre (FANS).