Etude des phénomènes de transfert dans un système thermodynamique ouvert

Abstract

Dans ce travail, on a mené une étude numérique des phénomènes de transferts dans un système thermodynamique ouvert: application aux écosystèmes constitués de cultures sous serre comme le collecteur d’une cheminée solaire (une centrale solaire à cheminée (CSC)), qui consiste à modéliser le climat sous serres; en tenant compte des échanges radiatifs ainsi que des échanges convectifs. Pour cela, on a déterminé le champ dynamique et thermique. Dans toutes les configurations, les écoulements étudiés sont turbulents et nous avons simulé un modèle axisymétrique à deux dimensions d'une CSC avec le modèle de la turbulence RNG k-ε. L'influence de la culture sur la dynamique de l’écoulement a été également prise en compte dans les simulations, les effets dynamiques de la végétation ont été simulés à partir de l'approche milieu poreux. La force d’entraînement de la convection naturelle est la force de la flottabilité basée sur l’approche de Boussinesq. Pour simuler l’énergie liée au rayonnement dans le bilan thermique de chaque élément du système serre (i.e. paroi, sol…), on résout en plus l’Equation de Transfert Radiatif avec la méthode des ordonnées discrètes (DO). Les simulations numériques ont été effectuées pour la géométrie du prototype à Manzanares, en Espagne. Les simulations ont été effectuées à l’aide d’un logiciel de mécanique des fluides (CFD) basé sur un schéma de discrétisation aux volumes finis. Nous avons présenté une technique permettant de contrôler la puissance de sortie de la centrale solaire, afin de fournir de l’énergie en fonction des caractéristiques de la demande. Pour présenter ceci, le modèle de l’usine de référence a été modifié pour inclure un toit collecteur secondaire et tertiaire sous le collecteur principal existant permettant un bon contrôle de la production d’électricité. Une analyse de performance de trois systèmes de centrales solaires à cheminée a été réalisée en étudiant la faisabilité de leurs mises en oeuvre dans deux régions algériennes (Constantine, Tamanrasset). Les résultats montrent que la production d'électricité la plus élevée a été réalisée par le système de toit secondaire et tertiaire dans la région de Tamanrasset. La présence de la plante modifie la circulation d’air sous serre et donne naissances à des cellules convectives supplémentaires diminuant ainsi de manière significative la vitesse moyenne dans la serre. En termes de coût d'électricité (kWh), l'inclusion d'un toit collecteur secondaire et tertiaire produit de l'électricité (kWh) moins cher que par les autres systèmes. In this work, a numerical study of transfer phenomena in an open thermodynamic system has been carried out: application to ecosystems consisting of greenhouse crops such as the collector of a solar chimney (a solar chimney power plant (SCPP)), which consists of to model the climate under greenhouses; taking into account radiative exchanges as well as convective exchanges. For this, the dynamic and thermal field was determined. In all configurations, the studied flows are turbulent and we simulated a twodimensional axisymmetric model of a SCPP with the RNG turbulence model k-ε. The influence of culture on flow dynamics was also taken into account in the simulations; the dynamic effects of vegetation were simulated from the porous medium approach. The driving force of natural convection is the buoyancy force based on Boussinesq approach. To simulate the radiation-related energy in the thermal balance of each element of the greenhouse system (i.e. wall, ground… etc.), the Radiative Transfer Equation is further solved by the discrete ordinate (DO) method. Numerical simulations were carried out for the prototype geometry in Manzanares, Spain. The simulations were performed using fluid mechanics software (CFD) based on a finite volume discretization scheme. We presented a technique to control the power output of the solar power plant, to provide power according to the characteristics of demand. To present this, the reference plant model has been modified to include a secondary and tertiary collector roof under the existing main collector allowing good control of electricity generation. A performance analysis of three chimney solar power plant systems was conducted by studying the feasibility of their implementation in two Algerian regions (Constantine, Tamanrasset). The results show that the highest electricity generation was achieved by the secondary and tertiary roof system in the Tamanrasset region. The presence of the plant modifies the flow of air in the greenhouse and gives birth to additional convective cells thus significantly reducing the average speed in the greenhouse. In terms of the cost of electricity (kWh), the inclusion of a secondary and tertiary collector roof produces electricity (kWh) cheaper than other systems. في ھذا العمل ، تم إجراء دراسة عددیة لظواھر التحویل في نظام حراري مفتوح: التطبیق على النظم الإیكولوجیة المكونة من محاصیل الدفیئة مثل جامع المدخنة الشمسیة (مصنع شمسي بمدخنة ( (CSC))، والذي یتألف من نمذجة المناخ تحت الدفیئة الزراعیة ؛ مع الأخذ في الاعتبار التبادلات الإشعاعیة وكذلك تبادلات الحمل الحراري. لھذا، تم تحدید المجال الحیوي والحراري. في جمیع التكوینات ، تكون التدفقات المدروسة مضطربة ونقوم بمحاكاة نموذج ثنائي المحور غیر متماثل من CSC مع نموذج اضطراب RNG k-ε،. ایضا تم أخذ بالاعتبار في المحاكاة تأثیر الغطاء النباتي على دینامیكیات التدفق، وضحت انطلاقا من تقریب الوسط المسامي. القوة الدافعة للحمل الحراري الطبیعي ھي قوة الطفو على أساس نھج بو سیناسك. لمحاكاة الطاقة ذات الصلة بالإشعاع في التوازن الحراري لكل عنصر من عناصر نظام الدفیئة (الجدار، التربة...)، یتم حل معادلة النقل الإشعاعي بشكل أكبر من خلال طریقة التنسیقات المنفصلة أجریت محاكاة عددیة من أجل الھندسة النموذجیة في مانزاناریس ، إسبانیا. تم إجراء عملیات المحاكاة باستخدام برنامج میكانیكا الموائع . (DO) على أساس مخطط تقدیري محدود الحجم . (CFD) قدمنا تقنیة للتحكم في خرج الطاقة لمحطة الطاقة الشمسیة ، لتوفیر الطاقة وفقا لخصائص الطلب. ولعرض ھذا ، تم تعدیل نموذج المحطة المرجعیة لیشمل سقف جامع ثانوي وثالث تحت المجمع الرئیسي الحالي مما یسمح بالتحكم الجید في تولید الكھرباء. تم إجراء تحلیل أداء ثلاثة أنظمة لمحطات الطاقة الشمسیة من خلال دراسة جدوى تنفیذھا في منطقتین جزائریتین (قسنطینة ، تمنراست). وأظھرت النتائج أن أعلى تولید للكھرباء تم تحقیقھ من خلال نظام السقف الثانوي والثالث في منطقة تمنراست. إن وجود النبات یعدّل تدفق الھواء في البیوت الزجاجیة وینتج خلایا حمل حراریة إضافیة مما یقلل بشكل كبیر من متوسط السرعة في الدفیئة. من حیث تكلفة الكھرباء (كیلو واط ساعي) ، فإن إدراج سقف جامع ثانوي وثالث ینتج الكھرباء (كیلو واط ساعي) أرخص من الأنظمة الأخرى.