Entropie : thermodynamique – énergie – environnement – économie

Entropie - ISSN 2634-1476 - © ISTE Ltd

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Cette communication concerne le développement d’un modèle numérique multiphysique représentatif des phénomènes de transfert de chaleur et de masse ainsi que le gonflement lors de la cuisson d’un gâteau contenu dans un moule. L’objectif de cette étude est de fournir un outil numérique efficace, validé expérimentalement, pour une meilleure compréhension des mécanismes conduisant au produit final désiré. Différentes conditions de fonctionnement sont testées pour vérifier la robustesse des prédictions.

Le Congrès de la Société Française de Thermique a lieu pour la première fois à Strasbourg. A la fois capitale européenne et capitale alsacienne, Strasbourg est une grande ville universitaire s’appuyant sur le dynamisme de son université et de ses nombreux laboratoires de recherche pour asseoir sa réputation d’excellence. La 32ème Congrès Français de Thermique s’est déroulé du 4 au 7 juin 2024 à l’INSA Strasbourg. Le thème scientifique choisi pour cette édition est "Thermique et Architecture".

Cet article vise à étudier le comportement dynamique d’un mur Trombe. Un modèle CFD est développé en tenant compte à la fois de la variation de l’ensoleillement durant la journée mais aussi de la présence ou non d’habitants. Les résultats permettent de cartographier les profils de température, de vitesse et de d’humidité au sein du mur Trombe et de la pièce d’occupation en fonction de l’heure de la journée. Ce modèle est un outil intéressant pour définir et optimiser les systèmes de ventilation et minimiser la présence d’humidité.

Les écoulements au sein des récepteurs solaires sont turbulents et fortement anisothermes, car soumis à d’importants gradients de température. Ces conditions engendrent un fort couplage entre transport de chaleur et dynamique de l’écoulement, ce qui nécessite des modélisations spécifiques pour rendre compte des effets de l’anisothermie sur la dynamique de l’écoulement. Dans cet article, nous nous concentrons en particulier sur les phénomènes de transfert d’énergie entre les échelles de la turbulence et de la thermique. Une analyse spectrale est développée et présentée.

Cet article concerne la contribution des modèles réduits dans le cadre global de l’estimation de la diffusivité thermique des métaux liquides. L’identification de cette propriété s’effectue à partir d’un dispositif expérimental adapté aux hautes températures, associé à un processus inverse faisant appel à un modèle numérique qui décrit les phénomènes thermiques instationnaires de conduction et d’advection au sein du métal en fusion. Une technique de réduction modale du modèle numérique est proposée ici, dans laquelle la température et la vitesse sont décomposée sur une base POD. Cette double réduction permet une réduction importante de l’ordre du modèle numérique utilisé dans la procédure inverse, et donc du temps de calcul d’identification par rapport aux modèles classiques éléments finis. Les premiers résultats montrent l’apport de la technique en termes de précision des résultats et de rapidité de calcul.

La transition énergétique met en lumière les systèmes de micro-cogénération à pile à combustible pour les usages résidentiels, dont un est une Pile à Combustible à Oxyde Solide, alimentée au gaz naturel, conçue pour fournir continuellement 1,5 kWel avec une efficacité électrique exceptionnellement élevée attendue de 60% (pouvoir calorifique inférieur). Cette puissance de sortie peut être modulée à volonté jusqu’à 500 Wel et la chaleur peut également être récupérée pour contribuer partiellement à la demande de chauffage du ménage. Ce système a été installé au laboratoire et a été spécifiquement instrumenté afin d’évaluer ses performances thermiques à différents régimes de puissance électrique. Dans cet article, l’accent est mis sur le rendement thermique résultant et les efficacités, tant thermiques qu’électriques, qui ont également été modélisées. Avec plusieurs sorties de puissance électrique entre 500 et 1500 Wel, cette étude montre des efficacités totales (pouvoir calorifique supérieur) jusqu’à 88-89% à des températures de retour minimales (autour de 20°C) du circuit de récupération de chaleur. L’efficacité électrique maximale obtenue est égale à 57% (pouvoir calorique inférieur) à puissance nominale, ce qui est proche de l’objectif de 60% du fabricant.

Cet article est dédié à l’analyse des effets de l’induction magnétique sur la perte fer et les éléments des schémas équivalents d’un domaine ferromagnétique soumis à cette induction en utilisant un domaine ferromagnétique parallélépipédique soumis à un flux magnétique uniaxial. L’induction B produite par une source connue solidaire au domaine provoque la saturation du domaine. Ce dernier augmente sa consommation et voit la décroissance des valeurs des résistances et des réactances de ses schémas équivalents face à la source productrice de l’induction. L’augmentation de la perte fer et la diminution des valeurs des éléments passifs des schémas équivalents sont confirmées par la diminution de la résistivité et de la perméabilité du domaine en Modèle Tension où les éléments RL sont en parallèle comme en Modèle Courant où les éléments RL sont en série. Ce phénomène est visible lors de la vérification de la dualité parallèle-série des schémas équivalents du domaine face à la source inductrice.

La bioéconomie est une nouvelle approche des relations entre l’économie et l’environnement qui a été développée par N. Georgescu-Roegen (1906-1994), un grand économiste du XXième siècle qui fut aussi mathématicien, philosophe et historien des sciences. L’économie, en tant que sous-système de la biosphère, est appréhendée dans un contexte écologique global. Par ailleurs, elle est indissociable de la dimension historique du développement des sociétés du fait de l’accès limité à un stock de ressources (énergie et matière) prélevés dans l’environnement. Cette orientation originale vise finalement à réconcilier le développement économique avec les contraintes écologiques et à conduire l’économie vers la sobriété.

Le cycle dit “ Pompe à vapeur d’eau“ se définit par le recyclage sélectif de la vapeur d’eau véhiculée par les produits de combustion en sortie de machine thermique par échange de masse et de chaleur entre les produits de combustion sortant et l’air atmosphérique entrant. Avec le combustible hydrogène, cette forme de combustion humide, est susceptible de très fortes performances énergétiques et écologiques. Dans ce contexte, nous présentons ici le Diagramme Hygrométrique de Combustion (DHC) de l’hydrogène et appliquons cet outil pour anticiper les performances énergétiques de ce nouveau combustible dont le PCS dépasse de 18% son PCI. Ces anticipations concernent aussi le cas des turbines à gaz en cas de combustion humide qui, par ailleurs sont, a priori, fortement consommatrice d’eau additionnelle. La formation de panache d’eau atmosphérique, le « coût » de son élimination, la possible pollution résiduelle due aux NOx sont également présentés, cela concernant l’utilisation du combustible hydrogène dans toutes les machines thermiques à combustion, y compris dans les piles à combustibles. Toutes applications confondues et dans un contexte de cogénération, la combustion humide dont le cycle dit « pompe à vapeur d’eau » fait partie, augmente la température de rosée des produits de combustion d’environ 10°C et favorise une récupération exploitable d’énergie approchant 100% du pouvoir calorifique supérieur du combustible (100% du PCS). Ce qui est important à souligner avec le combustible hydrogène.

Le développement exponentiel des usages du numérique impose des évolutions en génie des procédés de transformation de la matière et de l’énergie en termes de formations, mais également en inventions d’origines variées pour le renouveau de la discipline soumise à des contraintes environnementales fortes. Cette situation de quasi-rupture doit se traduire par une meilleure créativité avant d’arriver à des innovations de rupture ou incrémentales. Pour atteindre cet objectif, il est parfois profitable de rapprocher deux domaines normalement disjoints pour faire émerger des idées suffisamment robustes pour devenir appliquées. Cet article traite de cette méthode en s’appuyant sur le biomimétisme. Tirer profit des ingéniosités de la nature peut-elle favoriser l’émergence d’inventions anthropocentrées et d’ainsi accélérer l’innovation dans le domaine du génie des procédés ? C’’est le questionnement des auteurs illustrant dans leur quête les opportunités d’une telle démarche de rapprochement avec ses avantages, mais également les limites actuelles de ce dernier.