Soutenance de thèse de Ines MARZOUGUI (département mécanique)

Ce travail, numérique, porte sur l’intensification des échanges de chaleur et transferts pour déterminer les performances énergétiques d’un moteur Stirling de type à double effet, où règne un écoulement alternatif laminaire instationnaire, animé par l’action de deux pistons en quadrature de phase.

L’étude présentée s’articule autour de l’optimisation de fonctionnement de ce moteur en se basant sur une autre optimisation des conditions opératoires et en se focalisant sur la caractérisation du régénérateur, qui est l’élément clé du moteur Stirling.

Nous avons effectué une simulation numérique (CFD) en résolvant les équations de Navier-Stokes couplées à l’équation de l’énergie dans les deux sources chaude et froide, et dans le milieu poreux de la matrice poreuse (régénérateur).

La méthode numérique utilisée pour cette simulation est de type SIMPLER s’appuyant sur un schéma de volumes finis (ou volumes de contrôle) à base d’élément finis.

Dans le régénérateur (milieu poreux), l’écoulement est décrit par la loi de Darcy-Brinkman-Forchheimer.

Une étude paramétrique sur la porosité, la nature du matériau (trois types choisis : acier inoxydable, Hastelloy X et alliage de lanthane-Nickel (LaNi5)), la perméabilité et la configuration géométrique, a été alors menée pour qualifier et quantifier les transferts de chaleur permettant de conduire à un meilleur compris entre la maximisation énergétique du Stirling et la minimisation de la perte de charge dans le milieu poreux.  En effet, ces trois matériaux ont été étudiés et comparés.

Les résultats montrent que le choix de l’alliage de lanthane-Nickel (LaNi5) suite à ses caractéristiques thermo-physiques, conduit à la meilleure efficacité énergétique du système.

Nous avons ensuite étudié trois configurations géométriques de régénérateurs, formant une matrice poreuse avec un seul régénérateur, deux sous-régénérateurs et trois sous-régénérateurs. Le dernier cas représentant un bloc constitué de trois sous-régénérateurs, ayant les mêmes épaisseurs et le même matériau, mais avec une porosité variable, s’avère la configuration la plus intéressante. Celle-ci conduit à une intensification considérable des transferts de chaleur, permettant ainsi une meilleure production d’énergie mécanique, pouvant être convertie en énergie électrique qui serait à dissiper dans un électrolyseur pour la production de l’hydrogène vert. Celui-ci servirait comme un combustible pour alimenter en partie le même moteur à combustion interne (en boucle fermée).

Par la suite, nous avons montré que le sens de distribution axiale de la porosité joue un effet notable dans les réponses énergétiques du moteur Stirling. En effet, une porosité décroissante dans le sens de la source froide vers celui de la source chaude, présente d’importants avantages.

Enfin, pour mieux se rapprocher du comportement d’un gaz réel dans un moteur Stirling, nous avons considéré un fluide de travail représentant un gaz de type van der Waals pour mener des investigations détaillées et multi-objectif mais pour un nombre de sous-régénérateurs variant de 1 à 5. Les résultats ainsi obtenus, ont été validés par comparaison avec des travaux expérimentaux existants pour un même système que celui étudié dans notre cas.

Les différentes investigations réalisées par simulations numériques et s’appuyant sur la méthode des plans d’expériences, ont montré qu’un fonctionnement optimal pourrait être atteint avec une pression de charge d’environ 30 bar, une température de chauffe d’environ 630°C et une matrice poreuse composée de 5 sous-régénérateurs presque accolés.

Ces résultats montrent bien l’efficacité d’un tel procédé, utilisant un moteur Stirling pour la cogénération via la récupération de la chaleur fatale perdue à l’échappement d’un moteur à combustion interne et la possibilité de son intégration dans les systèmes de production d’énergies propres.

Rapporteurs/Referees :

• CASTELIN Cathy, Directrice de Recherche CNRS au LTEN UMR_C 6607, Université de Nantes
• Mohamed Sadok GUELLOUZ, HU Maitre de conférences à l’ENIB (Bizerte), Université de Carthage

 
Examinateurs/Examiners:

• LEGRAND Jack, Professeur, GEPEA (UMR CNRS 6144), Université de Nantes
• JEMNI Abdelmajid, Professeur, ENIM (Monastir), Université de Monastir, Tunisie
• ALOUI Fethi, Professeur, LAMIH (UMR CNRS 8201), INSA Hauts-de-France, UPHF, Valenciennes
• GHEITH Ramla, Maître de conférences HDR à l'Université de Monastir (ENIM), Tunisie

 
Invités/Invited:

• KEIRSBULCK Laurent, Professeur, LAMIH (UMR CNRS 8201), UPHF, Valenciennes
• HACHEM Houda, Maître-Assistant au CRTEn, Borj Cédria, Tunisie (Co-encadrante)

 
Directeurs de thèse/Supervisors :

• Fethi ALOUI, Professeur à l’INSA Hauts-de-France (LAMIH, UMR CNRS (LAMIH, UMR 8201)
• GHEITH Ramla, Maître de conférences HDR à l'Université de Monastir (ENIM), Tunisie