Le présent travail apporte une contribution à la compréhension des mécanismes des transferts combinés de chaleur et de masse en convection naturelle lors de l’évaporation d’un film liquide d’eau d’épaisseur négligeable dans un canal vertical ondulé. L’écoulement est laminaire et bidimensionnel. Les équations régissant le phénomène sont résolues à l’aide d’une méthode aux volumes finis et le traitement du couplage vitesse-pression est réalisé par la méthode de projection. Les influences de la densité de flux de chaleur, de la température ainsi que l’humidité de l’air à l’entrée et la forme de la paroi du canal sur les transferts sont étudiées. Les résultats sont présentés sous la forme de ligne de courant, d’isothermes et d’iso-concentrations.Les simulations numériques effectuées ont permis l’étude détaillée de la structure de l’écoulement ainsi que des champs thermiques et massiques. Nous représentons également, les nombres de Nusselt et de Sherwood. / The present work is a contribution to the understanding of the mechanisms of combined heat and mass transfers in natural convection during the evaporation of a liquid film with negligible thickness in a wavy vertical channel. The flow is laminar and two-dimensional. The equations governing the phenomenon are resolved using the finite volumes method and the treatment of the coupling between velocity and pressure is carried out by the projection method. The influences of the heat flux density, the temperature and the humidity of the inlet air and the shape of the channel wall on the transfers are studied. The results are presented in the form of cstreamlines, isotherms and iso-concentrations.The numerical simulations carried out have allowed the detailed study of the flow structure as well as the thermal and mass fields. We also represent the Nusselt and Sherwood numbers.

Des questions fondamentales concernant les propriétés de diffusion des systèmes biologiques dans des conditions isothermes et non-isothermes restent en suspens en raison de l’absence de techniques expérimentales capables de visualiser et de mesurer les phénomènes de diffusion avec une très bonne précision. Il existe en conséquence un besoin de développer de nouvelles techniques expérimentales permettant d’approfondir notre compréhension des phénomènes de diffusion. La convection naturelle en cavité tridimensionnelle inclinée est elle-aussi très peu étudiée. Cette inclinaison de la cavité peut correspondre à un léger défaut expérimental ou être imposée volontairement. Dans cette thèse, nous étudions les phénomènes de transport de chaleur et de masse en cavité parallélépipédique, nous intéressant particulièrement à la thermodiffusion en situation sans convection et à la convection naturelle en fluide pur (sans thermodiffusion). La diffusion de masse est étudiée à l’aide d’une nouvelle technique optique, tandis que la convection naturelle est tout d’abord étudiée en détails avec une méthode numérique sophistiquée, puis visualisée expérimentalement à l’aide du même système optique que pour les mesures de diffusion. Nous présentons l’interféromètre optique de haute précision développé pour les mesures de diffusion. Cet interféromètre comprend un interféromètre polarisé de Mach–Zehnder, un polariseur tournant, une caméra CCD et un algorithme de traitement d’images original. Nous proposons aussi une méthode pour déterminer le coefficient de diffusion isotherme en fonction de la concentration. Cette méthode, basée sur une analyse inverse couplée à un calcul numérique, permet de déterminer les coefficients de diffusion à partir des profils de concentration transitoires obtenus par le système optique. Mentionnons de plus que c’est la première fois que la thermodiffusion est visualisée dans des solutions aqueuses de protéines. La méthode optique proposée présente trois avantages principaux par rapport aux autres méthodes similaires : (i) un volume d’échantillon réduit, (ii) un temps de mesure court, (iii) une stabilité hydrodynamique améliorée. Toutes ces méthodes ont été validées par des mesures sur des systèmes de référence. La technique optique est d’abord utilisée pour étudier la diffusion isotherme dans des solutions de protéines : (a) dans des solutions binaires diluées, (b) dans des solutions binaires sur un large domaine de concentration, (c) dans des solutions ternaires diluées. Les résultats montrent que (a) le coefficient de diffusion isotherme dans les systèmes dilués décroit avec la masse moléculaire, comme prédit grossièrement par l’équation de Stokes-Einstein ; (b) la protéine BSA a un comportement diffusif de type sphère dure et la protéine lysozyme de type sphère molle ; (c) l’effet de diffusion croisée est négligeable dans les systèmes ternaires dilués. La technique optique est aussi utilisée (d) dans des solutions binaires diluées non-isothermes, révélant que les molécules d’aprotinin (6.5 kDa) et de lysozyme (14.3 kDa) sont, respectivement, thermophiliques et thermo-phobiques, quand elles sont en solutions aqueuses à température ambiante. Enfin, la technique optique est utilisée pour l’étude de la convection de Rayleigh-Bénard en cavité cubique horizontale. Puisque la convection peut aussi être étudiée de façon réaliste en utilisant les équations de Navier-Stokes, une analyse numérique de bifurcation est proposée, permettant une étude approfondie de la convection naturelle dans des cavités tridimensionnelles parallélépipédiques. Pour cela, une méthode de continuation a été développée à partir d’un code aux éléments finis spectraux. La méthode numérique proposée est particulièrement bien adaptée aux études de convection correspondant à des diagrammes de bifurcation complexes. [...] / Fundamental questions concerning the mass diffusion properties of biological systems under isothermal and non-isothermal conditions still remain due to the lack of experimental techniques capable of visualizing and measuring mass diffusion phenomena with a high accuracy. As a consequence, there is a need to develop new experimental techniques that can deepen our understanding of mass diffusion. Moreover, steady natural convection in a tilted three-dimensional rectangular enclosure has not yet been studied. This tilt can be a slight defect of the experimental device or can be imposed on purpose. In this dissertation, heat and mass transfer phenomena in parallelepiped enclosures are studied focusing on convectionless thermodiffusion and on natural convection of pure fluids (without thermodiffusion). Mass diffusion is studied with a novel optical technique, while steady natural convection is first studied in detail with an improved numerical analysis and then with the same optical technique initially developed for diffusion measurements. A construction of a precise optical interferometer to visualize and measure mass diffusion is described. The interferometer comprises a polarizing Mach–Zehnder interferometer, a rotating polariser, a CCD camera, and an original image-processing algorithm. A method to determine the isothermal diffusion coefficient as a function of concentration is proposed. This method uses an inverse analysis coupled with a numerical calculation in order to determine the diffusion coefficients from the transient concentration profiles measured with the optical system. Furthermore, thermodiffusion of protein molecules is visualized for the first time. The proposed method has three main advantages in comparison to similar methods: (i) reduced volume sample, (ii) short measurement time, and (iii) increased hydrodynamic stability of the system. These methods are validated by determining the thermophysical properties of benchmark solutions. The optical technique is first applied to study isothermal diffusion of protein solutions in: (a) dilute binary solutions, (b) binary solutions with a wide concentration range, and (c) dilute ternary solutions. The results show that (a) the isothermal diffusion coefficient in dilute systems decreases with molecular mass, as roughly predicted by the Stokes-Einstein equation; (b) BSA protein has a hard-sphere-like diffusion behaviour and lysozyme protein a soft sphere characteristic; and (c) the cross-term effect between the diffusion species in a dilute ternary system is negligible. The optical technique is then applied to (d) non-isothermal dilute binary solutions, revealing that that the aprotinin (6.5 kDa) and lysozyme (14.3 kDa) molecules are thermophilic and thermophobic, respectively, when using water as solvent at room temperature. Finally, the optical technique is applied to study Rayleigh-Bénard convection in a horizontal cubical cavity. Since natural convection can be studied in more depth by solving the Navier-Stokes equations, a bifurcation analysis is proposed to conduct a thorough study of natural convection in three-dimensional parallelepiped cavities. Here, a continuation method is developed from a three-dimensional spectral finite element code. The proposed numerical method is particularly well suited for the studies involving complex bifurcation diagrams of three-dimensional convection in rectangular parallelepiped cavities. This continuation method allows the calculation of solution branches, the stability analysis of the solutions along these branches, the detection and precise direct calculation of the bifurcation points, and the jump to newly detected stable or unstable branches, all this being managed by a simple continuation algorithm. This can be used to calculate the bifurcation diagrams describing the convection in tilted cavities. [...]

Dans le contexte énergétique actuel, le développement de l'énergie solaire passe par son développement à grande échelle en milieu urbain. Les solutions actives et intégrées telles que les double-façades photovoltaïques permettent d'une part d'envisager une valorisation de la chaleur et d'autre part de valoriser l'enveloppe des bâtiments en tant que surface de captation. De plus, cette configuration limite la perte de rendement et l'accélération du vieillissement liées à la surchauffe des cellules. En effet, les composants photovoltaïques sont séparés du bâtiment par une lame d'air et la convection naturelle développée dans cet espace favorise l'évacuation de la chaleur absorbée par les panneaux. Cependant, le comportement global d'une double-façade photovoltaïque est très complexe et encore mal compris. Cette thèse se focalise sur l'expérimentation du phénomène de la convection naturelle. Un banc d'essais, développé dans le cadre de la thèse de Daverat, modélise la double-façade par un canal vertical avec chauffage pariétal. Le fluide d'étude est de l'eau afin de s'affranchir du rayonnement entre parois et d'étudier le couplage conduction-convection. Le banc d'essais est constitué d'un canal vertical de 65cm de haut, chauffé à une densité de flux uniforme, plongé dans une cellule de 1,5m de haut remplie d'eau. L'écoulement est observé par des mesures de densité de flux de chaleur, de température pariétale et de vitesse, ces dernières étant réalisées par vélocimétrie par images de particules et par vélocimétrie laser Doppler. Deux configurations de chauffage sont étudiées : symétrique et asymétrique. Pour l'étude de la configuration avec un chauffage symétrique, les données expérimentales issues du travail de thèse de Daverat sont analysées par une approche zonale. Un découpage du canal est proposé et une analyse des ordres de grandeur permet de comprendre les observations expérimentales. Ainsi, cette analyse se focalise sur le transfert thermique aux parois, l'évolution de la pression dans le canal et sur les fluctuations, en particulier, sur l'évaluation du terme croisé du tenseur de Reynolds. La configuration d'un chauffage asymétrique est étudiée expérimentalement pour la phase de démarrage et le régime stationnaire. Pour la phase de démarrage, la caractérisation des premières heures à partir de la mise en chauffage de la paroi est réalisée en termes de température pariétale, de vitesse et de comportement bi-/tri-dimensionnel de l'écoulement. Un écoulement de retour de grande échelle est mis en évidence. L'impact de la stratification thermique externe du canal est également étudié. Pour le régime stationnaire, les analyses sont réalisées sur des données pour lesquels le régime est considéré établi. Les comportements thermique et dynamique sont étudiés et mettent en évidence deux états distincts. Des écoulements de retour sont également observés. Enfin, les influences du nombre de Prandtl et de l'écartement du canal sont discutées. / Under the current energy context, the development of solar energy goes through its large scale development, especially in urban areas. Active and integrated solutions, such as photovoltaic double-skins, allow both the heat recovery for building needs and the exploitation of building envelope as collecting surface. Furthermore, this configuration limits the efficiency loss and the acceleration of ageing process due to overheating of the solar cells. Indeed, in this configuration, the photovoltaic panels are separated from the building by an air channel and the thermally driven flow that develops in the channel helps to evacuate the heat absorbed by the panels. However, the global behaviour of the photovoltaic double-skin is complex and not yet fully understood. This study is part of a scientific project on multi-scale modelling and experimentation of BIPV components. It focuses on the experimentation of the natural convection phenomenon in double-façades. An experimental apparatus developed during C. Daverat's thesis models the double-façade by a vertical channel with wall heating. The working fluid is water so as to avoid radiative heat transfer between walls. The experimental apparatus consists of a 65 cm high vertical channel, with isoflux heating, immersed in a 1.5 m high water tank. The fluid flow is instrumented with measurements of heat flux, wall temperature and velocity. The velocity measurements are made by Particle Image Velocimetry and Laser Doppler Velocimetry. Two heating configurations are studied: symmetrical (same heat flux is imposed on both walls) and asymmetrical (only one wall is heated, the other one being adiabatic). For the study with symmetrical heating configuration, experimental data from Daverat's thesis are analysed by a zonal approach. The channel is split into several zones and a scaling analysis is conducted in order to explain experimental observations. Thus, the study focuses on heat transfer, pressure evolution in the channel and fluctuations, in particular, the evaluation of the maximum Reynolds stress. The asymmetrical configuration is studied for the transient regime and the steady regime. For the transient regime, early stage (first hours) is characterised in terms of wall temperature, velocity and two- or three-dimensional flow behaviour. A large-scale reversal flow is observed. The impact of external thermal stratification is also studied. For the steady regime, thermal and dynamic behaviours are studied and two different states are distinguished and characterised. Reversal flows are also observed. Finally, the influence of the Prandtl number and the channel width is discussed.

La réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) passe par la réduction des consommations d’énergie. Le stockage de la chaleur dans les parois des bâtiments permet de réduire la consommation d'énergie. Parmi les techniques de stockage, le stockage latent a la capacité de stocker une quantité d’énergie par unité de volume plus importante qu’un système sensible. Le projet INERTRANS a proposé le développement d’une façade associant une isolation translucide et le stockage latent avec un matériau à changement de phase (MCP). La fusion du MCP s’accompagne de la convection naturelle et l’absorption ou transmission du rayonnement. Le couplage de l’ensemble de ces phénomènes n’a pas été étudié dans la littérature. Dans cette thèse un modèle numérique 2D pour l’étude du changement de phase a été développé. Ce modèle utilise la méthode de Boltzmann sur réseau (LB) à temps de relaxation multiple (MRT), pour la résolution du champ de vitesse et la méthode des différences finies, pour la résolution du champ de températures. Le changement de phase a été traité par la formulation enthalpique. L’originalité est l’application de ce modèle au problème de changement de phase avec convection naturelle, d’une part, et au changement de phase avec convection naturelle et rayonnement, d’autre part. Pour vérifier notre modèle sans rayonnement, un cas de référence de la littérature a été simulé. Il s’agit de la fusion des deux MCP, l’étain et l’octadécane, à faible et fort nombre de Prandtl, respectivement. La simulation de l’étain a confirmé un écoulement multicellulaire. La simulation de l’octadécane a montré une forte influence de la convection avec un front de fusion qui se déforme sur toute la cavité. Le nombre de Nusselt pour l’octadécane avec convection est plus de trois fois le Nusselt sans convection. La simulation de l’acide gras de la brique INERTRANS a montré que la convection ne doit pas être négligée, car le flux prédit avec convection peut être jusqu’à trois fois plus grand que le flux prédit sans convection. La fraction fondue est près du double qu’en conduction seule. La méthode LB appliquée aux transferts radiatifs a été étudiée. Il se trouve, qu’à l’état actuel cette méthode n’est pas compétitive par rapport à une méthode classique des ordonnées discrètes (MOD). Enfin, nous avons couplé la MOD pour le calcul du flux radiatif avec la méthode LB pour le calcul du champ de vitesses et des différences finies pour l’équation de l’énergie. Le rayonnement grande longueur d’onde n’a pas d’influence notable sur les transferts thermiques. Le rayonnement courte longueur d’onde augmente les transferts thermiques, pourtant, cet effet n’est pas aussi important que l’augmentation due à la convection pour le matériau choisi. Puisqu’aucune solution de référence n’existe dans la bibliographie, nos résultats peuvent désormais servir d’éléments de comparaison pour de futurs travaux. Une validation expérimentale constituerait une perspective nécessaire. / Reduction of greenhouse gas emissions requires reduction of energy consumption. Energy storage on building walls allows reduction in energy consumption. Among storage techniques, latent heat storage offers higher energy storage density than sensible heat storage. INERTRANS project has proposed the development of an innovative facade, coupling transparent insulation and energy storage with a fatty acid phase change materials (PCM). Melting of PCM comprises different phenomena, namely, natural convection in the liquid phase and radiation absorption or transmission. The coupling of all this phenomena is not still studied in scientific literature. In this thesis, a 2D numerical model for studying phase change has been developed. This model uses the lattice Boltzmann method (LBM) with multiple relaxation time (MRT) to resolve velocity field, and finite differences for the temperature field. Phase change is treated with the enthalpy formulation. The original contribution is application of this hybrid approach to the phase change with natural convection, on the one hand, and to the phase change with natural convection and radiation, on the other hand. To verify the model without radiation, a test case taken from literature has been simulated. It concerns the melting of two PCM with a low and high Prandtl number, the tin and octadecane, respectively. Tin melting simulation confirms multiple cells flow, starting with four rolls which merges in three then two rolls. Octadecane simulation shows high convection effect, with a melting front deforming all along the cavity height. Nusselt number plot for octadecane melting with convection is more than three times with conduction only. INERTRANS’ fatty acid simulation shows that convection shall not be neglected, because predicted heat flux with convection may be up to three times that predicted with conduction only. Melted fraction is almost twice than with conduction only. The lattice Boltzmann method applied to radiative heat transfer has also been explored. It turns out that in its current state, this method is not competitive compared to a conventional discrete ordinates method (DOM). Finally, we coupled the DOM for radiation heat flux, with the LBM for velocity field calculation and finite differences for the energy equation to solve the coupling between phase change, convection and radiation. Long wavelength radiation has no noticeable effect on heat transfer. Short wavelength radiation increases heat transfer, however, this increase is not as important as that produced by convection for this kind of material. Since no reference solution exists in the literature, our results can now serve as a basis for future work. An experimental validation would be a necessary perspective.

Notre investigation porte sur la simulation numérique des échanges thermo-convectifs dans un canal vertical ouvert à flux imposé. Cette étude rentre dans le cadre des recherches sur le rafraîchissement passif des composants PV intégrés au bâtiment. À cet effet, un code numérique en Différences Finies est utilisé pour résoudre les équations de Navier-Stokes et simuler la convection naturelle dans un canal. Ce problème reste difficile à résoudre parce que l'écriture des conditions aux limites d'entrée et de sortie reste un problème ouvert. Notre travail consiste d'abord en étude des différentes conditions aux limites pour le benchmark numérique AMETH. Les travaux réalisés ont permis de faire un premier choix sur les conditions aux limites. L'étude s'oriente ensuite sur la qualification et la quantification numériques et expérimentales pour deux fluides : l'air (convection-rayonnement) et l'eau (convection pure). Les résultats numériques/expérimentaux ont été comparés et les discordances ont été analysées. Plusieurs aspects phénoménologiques (rayonnement entre surfaces, variation des propriétés thermo-physiques, variation du nombre de Prandtl) ont été abordés afin de caractériser leurs influences respectives sur l'écoulement et le transfert thermique. Enfin, dans le but d'apporter des éléments de réponses sur les conditions aux limites dynamiques, nous avons simulé la convection naturelle d'un canal dans une cavité et tenté une modélisation. / The present investigation deals with natural convection flow in a vertical open-ended channel with wall constant heat flux. This study falls under the framework of research on passive cooling of building integrated PV components. For this purpose, a numerical code developed with Finite Differences scheme is used to solve Navier-Stokes equations and simulate the natural convection in a channel. This problem is difficult to solve because the writing of inlet/outlet boundary conditions remains an open problem. First, our work consists of studying different boundary conditions for the the numerical benchmark AMETH. The work carried out has enabled a first choice of boundary conditions. The study then focuses on numerical and experimental quantification and qualification for two fluids : air ( convection - radiation) and water ( pure convection) . Experimental and numerical results were compared and discrepancies were analyzed. Several phenomenological aspects ( surface radiation, thermophysical properties variation, Prandtl number variation ) were discussed in order to characterize their influence on flow and heat transfer. Finally, in order to provide some answers on dynamical boundary conditions, we simulated natural convection of a channel inside a cavity and tried a modeling.

Continued emission of green house gases has energized research activity worldwide to develop efficient ways to harness renewal energy. The availability of large scale energy storage technologies is essential to make renewal energy a reliable source of energy. Redox flow batteries show potential in this direction. These batteries typically need expensive membranes which need replacement be-cause of fouling. The recently proposed soluble lead redox flow battery (SLRFB), in which lead ions deposit on electrodes in charge cycle and dissolve back in discharge cycle, can potentially cut down the cost of energy storage by eliminating membrane. A number of challenges need to be overcome though. Low cycleability, residue formation, and low efficiencies are foremost among these, all of which require an understanding of the underlying mechanisms. A model of laminar flow-through SLRFB is first developed to understand buildup of residue on electrodes with continued cycling. The model accounts for spatially and temporally growing concentration boundary layers on electrodes in a self consistent manner by permitting local deposition/dissolution rates to be controlled by local ion transport and reaction conditions. The model suggests controlling role for charge transfer reaction on electrodes (anode in particular) and movement of ions in the bulk and concentration boundary layers. The non-uniform current density on electrodes emerges as key to formation of bare patches, steep decrease in voltage marking the end of discharge cycle, and residue buildup with continuing cycles. The model captures the experimental observations very well, and points to improved operational efficiency and decreased residue build up with cylindrical electrodes and alternating flow direction of recirculation. The underlying mechanism for more than an order of magnitude increase in cycle life of a beaker cell battery with increase in stirrer speed is unraveled next. Our experiments show that charging with and without stirring occurs identically, which brings up the hitherto unknown but quite strong role of natural convection in SLRFB. The role of stirring is determined to be dislodgement/disintegration of residue building up on electrodes. The depletion of active material from electrolyte due to residue formation is offset by “internal regeneration mechanism”, unraveled in the present work. When the rate of residue formation, rate of dislodging/disintegration from electrode, and rate of regeneration of active material in bulk of the electrolyte becomes equal, perpetual operation of SLRFB is expected. The identification of strong role of free convection in battery is put to use to demonstrate a battery that requires stirring/mixing only intermittently, during open circuit stages between charge and discharge cycles when no current is drawn. Inspired by our experimental finding that the measured currents for apparently diffusion limited situations (no external flow) are far larger than the maxi-mum possible theoretical value, the earlier model is modified to account for natural convection driven by concentration gradient of lead ions in electrolyte. The model reveals the presence of strong natural convection in battery. The induced flow in the vicinity of the electrodes enhances mass transport rates substantially, to the extent that even in the absence of external flow, normal charge/discharge of battery is predicted. The model predicted electrochemical characteristics are verified quantitatively through voltage-time measurements. The formation of flow circulation loops driven by electrode processes is validated qualitatively through PIV measurements. Natural convection is predicted to play a significant role in the presence of external flow as well. The hitherto unexplained finding in the literature on insensitivity of charge-discharge characteristics to electrolyte flow rate is captured by the model when mixed mode of convection is invoked. Flow reversal and wavy flow are predicted when natural convection and forced convection act in opposite directions in the battery. The effect of the presence of non-conducting material (PbO on anode) on the performance of SLRFB is studied using a simplified approach in the model. The study reveals the presence of charge coup de fouet phenomenon in charge cycle. The phenomenon as well as the predicted effect of depth of discharge on the magnitude of charge coup de fouet are confirmed experimentally.

L'objectif général de la thèse est d'améliorer la modélisation numérique RANS des flux thermiques turbulents notamment en proposant un modèle fonctionnant dans les trois régimes de convection thermique (forcée, mixte et naturelle).Pour ce faire, un état des lieux, non exhaustif, des modèles des flux thermiques utilisant les approches algébriques et à équations de transport, est effectué. Puis, le modèle EB-RSM (Elliptic Blending-Reynolds Stress Model) étant utilisé pour modéliser la turbulence, le principe de la pondération elliptique est appliqué aux modèles des flux thermiques turbulents algébriques EB-GGDH (EB-General Gradient Diffusion Hypothesis), EB-AFM (EB-Algebraic Flux Model) et à équations de transport EB-DFM (EB-Differential Flux Model). Une attention particulière a été apportée aux échelles de temps et de longueur utilisées pour ces modèles. Il en résulte qu'utiliser une échelle de longueur thermique différente de l'échelle de longueur dynamique et une échelle de temps mixte dans le terme de flottabilité de l'équation de la dissipation turbulente est préférable.Pour valider les formulations retenues, nous avons effectué des tests pour des fluides usuels (nombre de Prandtl de l’ordre de 1) dans les trois régimes de convection à l'aide de l'outil de calcul Code_Saturne sur des configurations académiques, semi-académiques et industrielles.Des résultats satisfaisants ont été obtenus en associant l'EB-RSM et le GGDH en convection forcée ou mixte et l'EB-RSM aux modèles EB-DFM et AFM en convection naturelle. / The PhD main objective is to improve the turbulent heat flux RANS modelling especially by proposing a model working in the three thermal convection regime (forced, mixed and natural).In order to achieve this, a non-exhaustive state of art of heat flux model, using algebraic approach and transport equations, is done. Then, as EB-RSM model (Elliptic Blending-Reynolds Stress Model) is used to model turbulence, elliptic blending approach is apply to algebraic turbulent heat flux model EB-GGDH (EB-General Gradient Diffusion Hypothesis), EB-AFM (EB-Algebraic Flux Model) and transport equation model EB-DFM (EB-Differential Flux Model). Special attention was paid to time and length scales used with these models. It follows that using a thermal length scale different from dynamic length scale and a mixed time scale in the buoyant term of turbulent dissipation equation is better.To validate these models, some test were done for common fluids (Prandtl number in the order of 1) in the three convection regimes with the tool Code_Saturne on academic, mid-academic and industrial cases.Good results were obtained combining EB-RSM with GGDH in forced or mixed convection and EB-RSM with EB-DFM or AFM in natural convection.

The performance evaluation and parametric studies of an Inertance Tube Pulse Tube Refrigerator (IPTR) are performed for different length-to-diameter ratios, with the Computational Fluid Dynamics (CFD) package FLUENT. The integrated model consists of individual models of the components, namely, the compressor, compressor cooler, regenerator, cold heat exchanger, pulse tube, warm heat exchanger, inertance tube and the reservoir. The formulation consists of the governing equations expressing the conservation of mass, momentum and energy with axi-symmetry assumption and relations for the variable thermophysical properties of the working medium and the regenerator matrix, and friction factor and heat transfer coefficients in oscillatory flows. The local thermal non-equilibrium of the gas and the matrix is taken into account for the modeling of heat exchangers and the regenerator which are treated as porous zones. In addition, the wall thickness of the components is also accounted for. Dynamic meshing is used to model the compressor zone. The heat interaction between pulse tube wall and the oscillating gas, leading to surface heat pumping, is quantified. The axial heat conduction is found to reduce the overall performance. The thermal non-equilibrium results in a higher cold heat exchanger temperature due to inefficiencies. The dynamic characteristics of pulse tube are analyzed by introducing a time constant. The study is extended to other types of PTRs, namely, the Orifice type Pulse Tube Refrigerator (OPTR), Double Inlet type Pulse Tube Refrigerator (DIPTR) and a PTR with parallel combination of inertance tube and orifice (OIPTR). The focus of the second phase of analysis is the pulse tube region. The oscillatory flow and temperature fields in an open-ended pipe driven by a time-wise sinusoidally varying pressure at one end and subjected to an ambient-to-cryogenic temperature difference across the ends, is numerically studied both with and without the inclusion of buoyancy effects. Conjugate effects arising out of the interaction of oscillatory flow with heat conduction in the pipe wall are taken into account by considering a finite thickness wall with an insulated exterior surface. Parametric studies are conducted with frequencies in the range 5-15 Hz for an end-to-end temperature difference of 200 K. As the pressure amplitude increases, the temperature difference between the wall and the fluid decreases due to mixing at the cold end. The pressure amplitude and the frequency have negligible effect on the time averaged Nusselt number. The effect of buoyancy is studied for hot side up and cold side up configurations. It is found that the time averaged Nusselt number does not change significantly with orientation or Rayleigh number. Sharp changes in Nusselt number and velocity profiles and an increase in energy transfer through solid and gas were observed when natural convection comes into play with hot end placed down. Cooldown experiments are conducted on a preliminary experimental setup. Comparison of the numerical and experimental cooldown curves disclosed a number of areas where improvement is required, primarily the leakage past the piston and the design of the heat exchangers. The setup is being improved to bring out a second and improved version for attaining the lower cold heat exchanger temperature.

In dieser Arbeit werden neuartige Flachrohre für die Verwendung als Rückwandverflüssiger in der Haushaltskältetechnik mit numerischen und dynamischen Simulationen sowie Experimenten untersucht. Dabei kommen unterschiedliche überströmte Längen sowie der Einfluss horizontaler Abstände auf den Wärmeübergang durch freie Konvektion zur Betrachtung. Realisiert wird die numerische Strömungssimulation mit der Software Fluent 3.6.26, wobei das RNG-k-epsilon- als Turbulenzmodell und diskrete Ordinaten zur zusätzlichen Modellierung des Strahlungswärmeübergangs verwendet werden. Zur Verifizierung werden experimentelle Untersuchungen mit natürlicher Konvektion durchgeführt. Ebenso kommt ein kompakter Verflüssiger bei erzwungener Konvektion zur experimentellen Analyse. Mit einem neuen Verflüssigermodell wird außerdem ein Haushaltskühlschrank in Modelica 2.2.1 dynamisch simuliert. Diese Arbeit zeigt, dass die Verwendung eines Flachrohrverflüssigers großes Potenzial einer konkurrenzfähigen Alternative zu konventionellen Verflüssigern besitzt. / In this work novel flat tubes used as rear panel condensers in the household refrigeration technology are examined with numerical and dynamic simulations as well as experiments. Therefore different overflowed lengths and the influence of horizontal spacing on the heat transfer by free convection are taken into consideration. The CFD calculations are realized with the software Fluent 3.6.26, where the RNG-k-epsilon turbulence model and discrete ordinates for an additional modelling of radiation heat transfer are applied. For the verification, experimental studies with natural convection are carried out. Likewise, a compact condenser is experimentally analysed in forced convection. With a new model for the liquefier a domestic refrigerator is also dynamically simulated in Modelica 2.2.1. This work shows that the use of a flat tube condenser has a great potential of a competitive alternative to conventional liquefiers.

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