Transferts Convectifs Appliquées et Énergie Solaire

M. Pons, V. Bourdin, M.-C. Duluc, M. Jarrahi, G. Defresne, M. Firdaouss, S. Pellerin, E. Tapachès, M. Pavlov, S. Wullens, T. Dufour.

 Les sous-thèmes abordés par le groupe sont :

 

 

 

Convection naturelle externe autour d'une source linéique engendrée par un chauffage pulsé.

On étudie l'impact d'un chauffage pulsé sur des écoulements de convection naturelle externe, induits par une source linéique. Cette situation, correspond à une modulation du chauffage autour d'une valeur moyenne. On s'intéresse à la façon dont la perturbation thermique générée en paroi est transmise au sein du fluide, dans lequel un écoulement de convection naturelle est déjà installé. Une première étude a été réalisée en considérant un chauffage pulsé de type « flux imposé ». Une double approche, expérimentale et numérique, a été mise en œuvre. La configuration étudiée est un fil de platine immergé dans un large volume d'eau liquide. Les simulations numériques sont réalisées avec le code SUNFLUIDH.

La réponse en fréquence du système «fil-fluide» à des oscillations sinusoïdales a été mise en évidence. Le transfert de chaleur à la paroi peut ainsi être représenté à l'aide d'un classique diagramme de Bode indiquant l'amplitude des oscillations de température du fil dans une plage de fréquence comprise entre 0 et 100~Hz. Un modèle théorique simplifié a été développé et la comparaison avec les résultats a montré l'intérêt de cette approche analytique mais également ses limites [1].

Le transfert de chaleur dans le plan vertical médian au-dessus du fil a ensuite été étudié, uniquement par simulation numérique en raison des faibles surchauffes mises en jeu au sein du fluide. Un adimensionnement approprié a été proposé afin de pouvoir comparer les signaux de température et de vitesse enregistrés à différentes hauteurs dans la plage de fréquences 0-100~Hz. Une analyse des résultats, obtenus dans le plan vertical médian au-dessus de la source linéique, a été conduite en développant un modèle 1D d'advection-diffusion. Ce modèle permet la comparaison de l'amplitude des oscillations de température avec les résultats issus des simulations numériques. Le bon accord observé atteste de la pertinence du modèle. L'étape suivante a consisté à mettre en évidence l'impact des paramètres que sont les champs de vitesse et de température présents dans le fluide avant déclenchement des perturbations sinusoïdales. [2] L'impact d'un chauffage pulsé à température imposée a également été étudié, toujours au moyen de simulations numériques. L'objectif était de tester les capacités du modèle 1D d'advection-diffusion pour de nouvelles conditions de chauffage mais également d'aborder la question du déphasage (des oscillations de température) qui n'a pu être traitée lors de l'étude à flux imposé. La comparaison entre modèle et simulations numériques montre la pertinence du modèle dès lors que la fréquence dépasse une valeur critique, égale ici à environ 0.8~Hz. En deçà de cette fréquence, les oscillations de température présentent une amplification non représentée par le modèle [3].

[1] M. Jarrahi, M.-C. Duluc, Y. Fraigneau, G. Defresne, Natural convection around a pulsating line heat source, Proc. 15th Int. Heat Transf. Conf. Kyoto, 10-15 aug. 2014.

[2] M.-C. Duluc, Y. Fraigneau, Effect of frequency on natural convection flows induced by a pulsating line-heat source, International Journal of Thermal Sciences, 117, pp.~342-357, 2017.

[3] M.-C. Duluc, Y. Fraigneau,, Convection naturelle externe engendrée par une source linéique soumise à un chauffage pulsé de type température imposée, Congrès Français de Thermique, Marseille, 2017.

Amplitude adimensionnée des oscillations de température en fonction de la fréquence dans le plan vertical médian à différentes hauteurs au-dessus de l'élément chauffant, y/a=2.4, 10, 25 et 100 où a est la dimension de l'élément chauffant. ('•' : Simulations numériques; ' - - ' : Modèle à vitesse locale, ' - - '' : Modèle à vitesse moyenne).

 

 

 

Hydrodynamique des micro-nageurs

Les micro-organismes vivent souvent dans un milieu aquatique, et ceux qui sont nageurs cherchent des nutriments grâce à leur autopropulsion (motilité). L’hydrodynamique de leur environnement peut jouer un rôle important dans leur motilité, leur croissance, et en général dans leur comportement. Dans le cadre d’une thèse co-encadrée à l’université Paris-Diderot (soutenue en décembre 2016), nous avons décrit par un modèle l’effet du stress hydrodynamique présent dans les bioréacteurs sur la motilité des micro-organismes (Chlamydomonas reinhardtii et Synechocystis) pendant différentes phases de leur cycle de croissance. L’influence du même stress sur la croissance a été étudiée en suivant une approche de systémiques dynamiques. Il a été expérimentalement démontré que le taux de croissance instantanée et le taux de croissance per capita tendent vers zéro et oscillent autour d'un point fixe stable où la densité de la population atteint la capacité maximale du système (figure). Un modèle logistique comportant deux paramètres de croissance, le taux de croissance exponentiel et la capacité porteuse, est proposé pour décrire la croissance avec le temps. Les mesures et les calculs, faits avec deux types de bioréacteur (cuve agitée et airlift tubulaire) montrent que, dans les deux cas, Synechocystis résiste très bien au cisaillement, que l’effet du cisaillement sur le taux de croissance exponentiel se limite à la décomposition des colonies cellulaires, mais que sa capacité porteuse semble augmenter avec le cisaillement jusqu'à une valeur maximale. De son côté, Chlamydomonas reinhardtii se montre plus sensible; son taux de croissance exponentiel augmente avec l'intensité du cisaillement, mais sa capacité porteuse semble moins affectée. Ces travaux se poursuivent actuellement par le co-encadrement de deux thèses dans le cadre d’une convention de collaboration signée en décembre 2017 entre le LIMSI et l’APC/Paris-Diderot. Ces thèses se concentrent sur la compréhension de l’interaction entre l’écoulement et la motilité de Chlamydomonas reinhardtii dans les systèmes microfluidiques.

Dans la même thématique, une collaboration avec le laboratoire FAST a débuté fin 2016 pour étudier le mélange et le transport par des micro-nageurs (biomixing). La nage de microorganismes crée une zone de mélange dans leur environnement proche. Nous étudions ce mélange ainsi que le transport des traceurs passifs par des micro-nageurs. Cette étude nécessite le développement d’une technique de visualisation à micro-échelle et du traitement d’images qui permettra ensuite d’analyser l’hydrodynamique du mélange. Notre projet LaSIPS intitulé « Bio-mélange dans les milieux confinés (BIOMEMIC) » a été accepté en juillet 2017 pour financer notamment l’achat d’une caméra rapide de microscope, les consommables et deux stages de 6 mois pour poursuivre cette étude jusqu’à la mi-2019 en collaboration avec deux autres laboratoires de l’Université Paris-Saclay : LGPM et FAST. Le but de ce projet interdisciplinaire est d’identifier les structures du mélange et de contrôler le chaos créé par des micro-organismes motiles au sein des milieux confinés où l’effet des parois peut jouer un rôle déterminant sur la dynamique du système.

Variation du taux de croissance instantané (?̇) en fonction de la population (n) de Chlamydomonas reinhardtii. (Mesures expérimentales en rouge, le modèle logistique en noir)

 

 

 

Écoulements darcéens obliques en milieux poreux anisotropes

Le milieu poreux modèle étudié est décrit par une cellule de base périodique rectangulaire de largeur W, de hauteur H et de rapport de forme A=H/W. Dans le cas d'arrangement de cylindres en quinconce, la géométrie est isotrope pour A=1 (réseau carré) ou A=1.732 (réseau hexagonal). En imposant au niveau de la cellule de base un gradient macroscopique de pression, les équations de Stokes sont résolues à l'échelle microscopique pour déterminer les champs de vitesse et de pression. Les techniques d'homogénéisation sont utilisées afin de caractériser les composantes du tenseur de perméabilité K grâce à la loi de Darcy qui relie le gradient macroscopique de pression à la vitesse globale. L'anisotropie du tenseur dépend de la géométrie du milieu poreux avec un résultat contre-intuitif : Kyy > Kxx pour 1 < A < 1.732, et Kyy < Kxx pour 1.732 < A < 2.5. Ce résultat a été constaté pour différentes porosités étudiées : une forte (0.8), une moyenne (0.6) et une faible (0.4).

 

 

 

Simulation dynamique de capteurs solaires à miroirs de Fresnel linéaires

Les stations de test solaires sont souvent localisées dans des déserts, alors qu’une part importante de l’humanité vit sous des climats tropicaux humides. Les modèles pseudo-stationnaires sont adaptés aux premiers, mais seuls les modèles dynamiques peuvent prédire correctement le fonctionnement, et donc le rendement, en climat soumis à des passages nuageux fréquents et chaotiques. Dans sa thèse co-encadrée avec PIMENT (St-Pierre-de-La-Réunion), E. Tapachès a construit un modèle dynamique de récepteur linéaire à miroirs de Fresnel simulant le capteur depuis la réflexion sur les miroirs jusqu’au flux thermique capté pour aboutir à l’évolution temporelle fine des températures. En outre, une stratégie originale de contrôle associant boucle fermée en fonctionnement ‘normal’ et boucle ouverte en situation critique permet de maintenir la température du film fluide partout sous sa limite de sécurité (600K), y compris dans des situations sévères, ce que montre la zone encerclée de la Figure MPa calculée avec un ensoleillement très variable et une température de sortie du fluide (courbe rouge) correctement régulée à 500K. De telles procédures de contrôle protègent le système contre des dégradations prématurées mais réduisent son rendement. En les prenant en compte, notre modèle donne une évaluation plus précise de l’énergie effectivement captée (forcément surévaluée en pseudo-stationnaire). La simulation (en quelques heures cpu seulement) de deux années de fonctionnement sous le climat tropical de La Réunion montre qu’une telle technologie solaire peut effectivement présenter un intérêt économique dans ce contexte isolé. [Tapachès et al., SFT 2014]

Contrôle couplé de la température de sortie et de la température maximale de film dans un capteur solaire à concentration.

 

 

 

Efficacité énergétique des coulis d’hydrates de CO2 pour les procédés de réfrigération secondaire

Un défi actuel de l’industrie du froid consiste à réduire les émissions (dues aux fuites) de frigorigènes, dont le GWP s’avère bien trop fort. La réfrigération secondaire offre déjà une solution, en limitant le volume des machines (et donc de frigorigène) et en assurant la distribution du froid par une boucle d’un fluide neutre pour l’environnement. Comme les coulis de glace, les coulis de clathrates-hydrates (cristaux constitués de molécules d'eau agencées en cages autour de molécules hôtes) offrent l’avantage d'une enthalpie de fusion élevée. Le projet ANR CRISALHYD rassemblant Irstea, ENSTA, LIMSI, Solvay et Lennox a commencé fin 2014. Le LIMSI s’intéresse principalement à l’efficacité énergétique des procédés de réfrigération secondaire, en particulier avec hydrates de gaz. Une approche originale, basée sur l’optimisation globale sous contraintes, intègre les différents couplages pour les coulis de glace (IG) et d’hydrates de CO2 (CO), de TBPB (TB) et mixte CO2+TBPB (MH). Parmi les caractéristiques du coulis, c’est la température de fusion qui dicte en dernier ressort l’efficacité énergétique globale du procédé (cf. Fig. MPb). L’analyse exergétique globale du procédé donne effectivement à cette température une place centrale, entre la perte d’exergie dans l’échangeur utilisateur (cf. HXU dans Fig. MPb) et le groupe froid dont le COP dépend de la température d’évaporation du frigorigène [Pons et al., SFT 2015 et 2016, ECOS 2015, IIR-PCM 2016, un premier article soumis à Energy]. La cinétique de changement de phase a aussi été introduite dans le modèle (projet LaSIPS CoolHyd ENSTA-LIMSI). Les résultats montrent que, étonnamment, elle n’a qu’une influence très faible sur les performances globales du procédé (cf. Fig. MPc) … à condition que les échangeurs de chaleur soient dimensionnés en conséquence. C’est en effet les températures effectives du coulis dans les échangeurs, modifiées par la cinétique (cf. Fig. MPd), qui vont déterminer les flux, ou bien, encore une fois, la consommation électrique du groupe froid [Pons et al., SFT 2017 et un deuxième article soumis à Energy].

 

Corrélation entre la consommation énergétique globale du procédé (◀) et les températures de fusion (▶) et d’évaporation (▷). Pertes d’exergie dans les différents composants (○ = cas réversible).

 

Bilan exergétique en présence de cinétique

 

Profils de fraction solide et de température dans les échangeurs (U : ◀ ; E : ▶) avec cinétique

 

Un modèle dynamique d’une boucle secondaire de distribution de froid est en cours de construction dans le but de simuler les transitoires rapides imposés dans la boucle par les régulations individuelles des différents utilisateurs, et leurs conséquences sur l’état du réseau et le service rendu. Des stratégies de contrôle pourront être étudiées, peut-être optimisées. Ce travail à long terme est en cours. Enfin, une tâche du projet Crisalhyd porte sur les conséquences industrielles de l’utilisation des hydrates de gaz. En effet, la fusion des cristaux libère du CO2 gazeux, sous pression, et qui doit être stocké. Le post-doctorant Ziad Youssef a d’abord étudié un cyclone de séparation coulis / gaz en sortie d’échangeur ‘utilisateur’, puis a construit un modèle pour calculer les volumes nécessaires pour stocker le CO2 libéré. Un procédé consistant à comprimer le gaz est ainsi proposé, réduisant les volumes et ouvrant la porte à une contribution possible à la production de froid globale du procédé. [1 article soumis à Int. J. Refrigeration].

 

 

 

Association Photovoltaïque (PV) + Miroirs plans – Évaluation des composants photovoltaïques en environnement extérieur – Intégration massive des ENR dans les réseaux – Expériences, simulations et analyses.

Basée sur une collaboration intensive avec le GeePs (CentraleSupélec) et le LMD (IPSL-École Polytechnique) et le LPICM (CNRS-Total-École Polytechnique) cette thématique s'intéresse aux solutions industrialisables pour augmenter la production PV par l'association de miroirs aux modules et l'optimisation de leur gestion. Elle s'appuie sur des expériences et bénéficie de l’accès aux données de production de grandes centrales. Ce sous-thème comporte trois grands axes : (i) caractérisations des composants (cellules, modules, réflecteurs, convertisseurs électriques...) en environnement réel – vieillissement et dégradation – diagnostic et pronostic des systèmes PV, (ii) développement des solutions modules + miroirs pour augmenter la production par m² de modules, (iii) intégration des renouvelables dans les smart-grids (prévision de production et de consommation et d'incertitude de la demande nette, équilibrage réseau, stockage). Deux axes émergents le complètent (a) la recherche de systèmes hybrides performants PV-thermique, (b) l'exploration de micro-convertisseurs éolien-électrique urbains. L'expérience ALEPh, initiée en 2010 et construite en 2012, combine dans une géométrie optimisée des modules et des miroirs plans qui permettent un gain de production annuelle d’environ 20%. Réinstallée sur le site météorologique du SIRTA-Palaiseau le 15 juillet 2013 elle continue à produire des données. Cette expérience a été le support de la thèse de Marko Pavlov soutenue le 25 octobre 2016, et de plusieurs stages de M2 et d'ingénieurs. Marko Pavlov continue le développement du concept au sein d'une startup. La thèse de Christine Abdel-Nour (en cours) porte sur le développement d'un démonstrateur type ALEPh de 12kW pour alimenter un microgrid du futur bâtiment SIRTA (horizon 2019-20). Nous exploitons une maquette «nano-grid» alimentée par une mini-éolienne Darrieus-Savonius et un module silicium cristalllin dans le cadre de la thèse de Fausto Calderon-Obaldia (ces deux thèses sont codirigées par A. Migan, J. Badosa et V. Bourdin). Nous collaborons ainsi au groupe «TREND-X » de l'École Polytechnique. Nous développons avec deux startups des systèmes LCPV (Low Concentration Photovoltaic) différents pour des applications de puissances supérieures à 300 kW. Depuis 2016, les développements portent sur : (i) une meilleure maîtrise des échanges thermiques des modules en vue (a) de l'amélioration du refroidissement et par suite du rendement électrique (figure ci-dessous), (b) de la cogénération électrique-thermique (M-C. Duluc, S. Pellerin, B. Antigny, V. Bourdin) ; (ii) l'utilisation de miroirs mobiles pour une meilleure utilisation des réflecteurs ; (iii) la sélection de surfaces réflectives à bas coût ; (iv) le développement d'algorithmes basés sur les statistiques pour équilibrer les réseaux en compensant par une réserve rapide et durable les écarts entre consommation nette prévue et consommation réelle ; (v) l'utilisation des batteries de véhicules en soutien bidirectionnel au réseau. La figure ci-dessous illustre les résultats (modèle 3D) obtenus pendant le stage de B. Antigny avec le code NAPEM développé par S. Pellerin : nous nous sommes concentré sur l'aspect dynamique des écoulements engendrés par le vent autour de la structure ALEPh. On constate sur cette coupe de l'écoulement dans le plan médian vertical que celui-ci est fortement turbulent. L'analyse du champ moyen de vitesse nous a permis de mettre en évidences des recirculations sous l'ensemble module-miroir. Nous initions cette année la simulation du système complet incluant l'équation de l'énergie avec le Code SUNFLUIDH (Y. Fraigneau).

Simulation des écoulements autour de la structure ALEPh (stage Benoît Antigny) : rotationnel de la vitesse.

 

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