projet de physique p6 stpi_p6_2013 28. ailettes thermiques. etudiants _ enseignant-responsable du...

8/18/2019 Projet de Physique P6 STPI_P6_2013 28. Ailettes Thermiques. Etudiants _ Enseignant-responsable Du Projet _ Dian…

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Ailettes thermiques

Etudiants :

Christophe BOUVIER Estelle GERVAIS

Baptiste O'JEANSON Antoine SAAÜN

Projet de Physique P6

STPI/P6/2013 – 28

Ensei!nant"responsa#le du pro$et :%iane %UVA


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Date de remise du rapport : &()* /2013

Référence du projet : STPI/P6/2012 – 28

Intitulé du projet : Ailettes thermiques

Type de projet : bibliograhie! e"#rime$tatio$s! mod#lisatio$

Objectifs du projet :

• %omre$dre le r&le des ailettes thermiques'

• (tudier les h#$om)$es de *o$du*tio$ et de *o$+e*tio$ our u$e ailette thermique'

• ,od#liser l-#+olutio$ de la tem#rature da$s u$e ailette thermique e$ r#gime erma$e$t'

• Tester l-i$.lue$*e des *ara*t#ristiques d-u$e ailette thermique sur sa roree..i*a*it#'

• %o$.ro$ter r#sultats e"#rime$tau" et mod#lisatio$ th#orique'

Mots-clefs du projet :

• Tra$s.erts thermiques

• %o$+e*tio$

• %o$du*tio$• #gime erma$e$t

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN

Département Sciences et Techniques Pour !In"énieur

BP 8 – avenue de l'Université - 76801 Saint Etienne du Rouvray - tél : +!0" # # $% 66 #1 - &a : +!0" # # $% 66 1


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TA#LE DES $ATI%RES

1.Introduction.........................................................................................................................................2.!énéralités..........................................................................................................................................."

2.1.#a c$aleur au cours de l%$istoire...................................................................................................."

2.2.Définition et applications des ailettes t$ermi&ues..........................................................................'

2.(.Modes de transferts t$ermi&ues.....................................................................................................)

2.(.1. #a conduction t$ermi&ue :....................................................................................................)

2.(.2.#a con*ection naturelle ou forcée :........................................................................................)

2.(.(.#e rayonnement :...................................................................................................................)

(.Mét$odolo+ie et or+anisation des t,c$es..............................................................................................Tra*ail e/périmental..........................................................................................................................10

.1.résentation du matériel..............................................................................................................10

.2.rotocoles d%e/périences..............................................................................................................12

.Modle t$éori&ue...............................................................................................................................1.1.3&uation de l%ailette t$ermi&ue....................................................................................................1

.2.4onditions au/ limites.................................................................................................................1"

.2.1.4as de notre e/périence.......................................................................................................1"

.2.2.Remar&ues...........................................................................................................................1'

.(.Détermination du coefficient $....................................................................................................1)

.(.1.4on*ection forcée interne de l%eau.......................................................................................1)

.(.2.4on*ection naturelle e/terne...............................................................................................1

".5nalyses et comparaisons..................................................................................................................20".1.Modle t$éori&ue et e/périence lors d%une con*ection naturelle :................................................20

".2.Influence du refroidissement 6 eau et du type de con*ection :.....................................................21

'.4onclusion.........................................................................................................................................2().7iblio+rap$ie.....................................................................................................................................2".5nne/es.............................................................................................................................................2'

.1.8ormulaire...................................................................................................................................2'

.2.4ourbe dans le cas de la con*ection forcée..................................................................................2)


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&' IN+RO%UC+ION

5u cours de cette seconde année passée 6 l%I95 de Rouen; nous a*ons été amenés 6 c$oisirun projet parmi une liste consé&uente de sujets portant sur un nombre éle*é de domaines scientifi&ues;allant de la c$imie 6 l%opti&ue en passant par la mécani&ue. r d%améliorer nos connaissances dans cedomaine mais aussi pour nous préparer 6 la suite de notre cursus d%in+énieurs; particulirement pourceu/ d%entre nous &ui se diri+ent *ers le département éner+éti&ue et propulsion.

#es ailettes t$ermi&ues sont présentes partout dans notre &uotidien; sans m?me &ue l%on s%enrende compte. Dans une société o@ l%éner+ie détient une place centrale; comment manipuler celle-ci estde*enu une problémati&ue importante. 9ous sa*ions déj6 &ue les ailettes t$ermi&ues permettaient pare/emple d%é*acuer la c$aleur d%un systme électroni&ue. 4ette étude doit nous permettre d%enapprendre plus sur leur r=le; de comprendre la manire dont fonctionnent celles-ci; et 6 terme d%essayerde les modéliser.

Dans ce but; nous allons tout d%abord nous intéresser 6 l%é*olution de la notion de c$aleur aucours de l%$istoire; a*ant de décrire plus précisément ce &u%est une ailette t$ermi&ue et &uelles sont sesapplications concrtes. 9ous e/pli&uerons ensuite la manire dont nous nous sommes or+anisés pourmener nos rec$erc$es 6 bien; a*ant d%e/poser les tra*au/ e/périmentau/ et t$éori&ues &ue nous a*onseffectués. 9ous finirons par analyser les résultats obtenus; et par tirer les ensei+nements apportés parce projet.


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(' G,N,RAI+,S

-.&. a /haleur au /ours de l'histoire

#e feu a lon+temps interro+é les p$ysiciens et les c$imistes du ABIIme et du ABIIImesicle concernant ses caractéristi&ues p$ysi&ues; 6 sa*oir le dé+a+ement de c$aleur m?lé 6 la lumireet au/ flammes. #e point &ui les a laissés le plus dubitatif reste ce &ue le feu dé+a+e lors de lacombustion dCun matériau.

5u ABIIIme sicle; les c$imistes de lCépo&ue pensaient &uCau cur de c$a&ue matériauinflammable se trou*ait une sorte de fluide. 4e fluide; nommé le p$lo+isti&ue; serait incolore; inodoreet impondérable Ein*isible p$ysi&uementF. 4ependant la présence de ce fluide se remar&ueraitlors&uCun matériau br>lerait. 3n effet; les c$imistes supposaient &ue la c$aleur &ui était dé+a+ée; lorsde la combustion du matériau; était ce fluide. lus le fluide serait présent initialement dans le matériauEa*ant une combustionF et plus la &uantité de c$aleur &ui sCen dé+a+erait serait importante et mieu/ lematériau br>lerait.


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-.-. %01inition et appli/ations des ailettes thermiques

#e r=le des ailettes t$ermi&ues est de fa*oriser l%éc$an+e de c$aleur entre deu/ milieu/; or lenombre de domaines mettant en jeu des éc$an+es t$ermi&ues est impressionnant. Qtudions le r=le

précis des ailettes t$ermi&ues dans certains systmes de notre *ie &uotidienne.5pplication la plus connue; les systmes de c$auffa+e des particuliers mettent en jeu des

systmes d%ailettes t$ermi&ues afin de transmettre la c$aleur issue d%une résistance Edans le cas duc$auffa+e électri&ueF; ou d%un fluide caloporteur Eporteur de c$aleurF en circulation; 6 l%air ambiant.

4i-contre une résistance c$auffante composée de larésistance électri&ue Etube en L < F cerclée par une ailettet$ermi&ue en forme de spirale. Il aurait été possible deremplacer la résistance électri&ue par un tube dans le&uelcirculerait un fluide caloporteur.

7ien entendu le domaine des appareils de c$auffa+e ne se limite pas au/ installations *isibles dans les$abitations particulires. 4es systme ser*ent é+alement dans lCindustrie; ds lors &u%il est nécessairede c$auffer un fluide. 3n effet; les ailettes ont pour r=le de fa*oriser les éc$an+es t$ermi&ues entre unélément solide et un fluide. #%élément solide peut trs bien ?tre un tube dans le&uel circule un secondfluide; afin d%autoriser les éc$an+es d%éner+ie sans pour autant mélan+er ces derniers : c%est le principedes éc$an+eurs de c$aleur utilisés pour transmettre l%éner+ie entre plusieurs circuits de fluidescaloporteurs.

#es ailettes t$ermi&ues peu*ent aussi ?tre nommées radiateurs. #eur but est alors de refroidirun élément; en transmettant l%e/cédent de c$aleur au milieu e/térieur; c%est 6 dire l%air dans la plupartdes cas.

#e radiateur d%une *oiture Eima+e ci contreF permet derefroidir le moteur. #e li&uide de refroidissement circule dans des

tubes au/&uels sont associées des ailettes t$ermi&ues &uitransmettent cette c$aleur 6 l%air. #a circulation de l%air est assurée par la *itesse du *é$icule; ce &ui assure un p$énomne decon*ection suffisant.

#es microprocesseurs des ordinateurs +énrent beaucoup de c$aleurlors de leur fonctionnement. 5fin d%é*iter &ue ceu/-ci soient endomma+és par une surc$auffe; ils sont parfois recou*erts par un radiateur Eima+e ci-contreF. #e plus sou*ent en aluminium; ce systme d%ailettes transmetdirectement la c$aleur du processeur 6 l%air.

5insi; m?me si leur forme peut beaucoup *arier; les ailettes t$ermi&ues sont indispensables

pour améliorer le rendement de tout éc$an+eur de c$aleur. ue le but soit de refroidir un élément entransmettant sa c$aleur 6 l%air ambiant; ou au contraire de c$auffer un fluide +r,ce 6 une résistanceélectri&ue; le principe des éc$an+eurs reste toujours le m?me; et des ailettes t$ermi&ues y sont pres&uetoujours associées.

'


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-.2. 3odes de trans1erts thermiques

2'3'1' a *o$du*tio$ thermique

#a conduction t$ermi&ue est un transfert t$ermi&ueayant lieu au cur d%un matériau c%est-6-dire 6 lCéc$ellemicroscopi&ue. 3lle résulte de l%élé*ation ou de la baisse de latempérature dans une certaine ré+ion d%un corps. 4eci pro*o&ueune différence de température dans l%inté+rité du corps. 5insi laré+ion la plus froide du corps s%éc$auffe au contact de la ré+ionla plus c$aude.

4e transfert t$ermi&ue a lieu sans transfert de matiremais a*ec transfert d%éner+ie. 3n effet; on peut considérer la conduction t$ermi&ue au sein d%un solidecomme la transmission de proc$e en proc$e de l%éner+ie microscopi&ue de *ibration du réseaucristallin. 4ar le fait &ue le corps soit c$aud se traduit par une a+itation microscopi&ue des atomescomposant le réseau cristallin.

Dans notre cas; lors&ue l%e/trémité de l%ailette est mise en contact a*ec le dispositif dec$auffa+e; le p$énomne de conduction t$ermi&ue se traduit par une élé*ation pro+ressi*e de latempérature dans la totalité de l%ailette et surtout dans les parties froides El%autre e/trémitéF.

2'3'2' a *o$+e*tio$ $aturelle ou .or*#e

#a con*ection est un transfert t$ermi&ue impli&uantun déplacement de matire 6 l%éc$elle macroscopi&ueEfluides et +aGF.

3lle peut ?tre naturelle et pro*enir d%une *ariation

locale de température au sein m?me d%un fluide ou d%un +aG.3n effet; cette *ariation pro*o&ue une baisse de la masse*olumi&ue de la L partie la plus c$aude du fluide ou du+aG. 5insi cette L partie s%él*e et induit ce mou*ementd%ensemble du fluide ou du +aG. EBous pou*eG *oir ci-contrel%e/emple du con*ecteur &ui fonctionne selon ce principe decon*ection naturelle.F

3lle peut é+alement ?tre forcée afin d%accélérer leséc$an+es t$ermi&ues; comme a*ec un *entilateur pare/emple; ce &ue nous a*ons fait lors de nos e/périmentations.

2'3'3' e rayo$$eme$t

#e rayonnement est un transfert t$ermi&ue ne nécessitant pas de milieu matériel par oppositionau/ deu/ autres. 3n effet; ce type de transfert t$ermi&ue résulte de l%émission de rayonsélectroma+néti&ues transportant de l%éner+ie. Ils sont émis par un corps c$aud; tel &ue le soleil; etéc$auffent le corps &ui les reoit. E4e type de transfert t$ermi&ue ne nous a pas tellement concernéssac$ant &ue nous a*ons manipulé en salle de TD $ors de *ue du soleil.F

)


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)' 3,+4O%OOGIE E+ ORGANISA+ION %ES +5C4ES

()*EES ,ER).UES

Ba/tiste 'eanson (ntoine Salaun

Estelle 2ervais

34risto/4e Bouvier

odélisation de l'ailette t4er5iue3ondition au li5iteséter5ination de 4

Réalisation des /rotoolese/éri5entau

(nalyse o5/arée

3onlusion


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*' +RAVAI E67,RI3EN+A

8.&. 7r0sentation du mat0riel

our réaliser nos e/périences; nous pensions au départ disposer d%une +rande ailette E1;)0 mFsur la&uelle étaient installés des t$ermocouples tous les 10 cm. 5insi on aurait pu réaliser des rele*ésde températures et en déduire la conduction du matériau pour la comparer 6 la conduction t$éori&ueEcf ci-aprsF .

eulement; ce dispositif; obsolte informati&uement; dan+ereu/ et non ré+lable; s%est *uinutilisable. 3n effet; on ne disposait ni de ré+ulateur de température ni de protection. De ce fait Mme.Du*al nous a trou*é un dispositif e/périmental L tout préparé . 3n effet nous n%a*ons pas eu 6commander les ailettes au département M345; car elles étaient déj6 conues au/ bonnes dimensions pour le dispositif de c$auffa+e et de rele*é des températures.

4e dispositif se compose d%un boStierde (0 cm sur 1' cm dans le&uel on insreune des deu/ ailettes t$ermi&ues fournies E6sa*oir en cui*re ou en aluminiumF de 1';cm de lon+. 4ette ailette t$ermi&ue est reliée

*ia des composants électroni&ues audispositif de c$auffa+e par une e/trémité et par l%autre au dispositif de refroidissement 6eau. 3lle est é+alement en contact a*ecd%autres composants électroni&ues permettant de rele*er la température del%ailette en temps réel : un capteur prend latempérature tous les 2;2 cm. #e boStier peut?tre fermé a*ec une paroicapuc$on afinL d%isoler l%ailette de lCe/térieur.

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#e dispositif de refroidissement est trs simple; il s%a+it d%un circuit 6 eau fermé. #%eau est pompée dans un L a&uarium et en*oyée dans l%ailette *ia un tuyau. 3lle ressort de l%ailette *ia undeu/ime tuyau &ui se dé*erse dans ce m?me a&uarium. 5insi; l%eau réalise ce cycle indéfiniment jus&u%6 ce &u%on coupe la pompe.

our ce &ui est du dispositif de c$auffa+e; il est un peu plus compli&ué 6 décrire car il s%a+it decomposants électroni&ues dont nous i+norons le nom et les fonctions. 4ependant; l%ailette est reliée 6une résistance c$auffante *ia des L dentspattes &ui sCinsrent dans leles composants; luieu/-m?mes dans le boStier. 5insi &uand on branc$e le boStier au +énérateur; le courant permet 6 larésistance c$auffante de c$auffer l%ailette.

#e dispositif de rele*é de température fonctionne +r,ce 6 des capteurs de température encontact a*ec l%ailette &ui fonctionnent &uand le boStier est branc$é.

3nfin; pour pou*oir ac&uérir et *isualiser &uel&ue c$ose 6 l%ordinateur un lo+iciel;4O9D


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8.-. 7roto/oles d'e9p0rien/es

#e protocole +énéral d%utilisation du dispositif EDID5#57 TD 00 1F nous a été donné dans lemanuel d%utilisation. on utilisation se couple a*ec celle du lo+iciel 4O9D


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5u fur et 6 mesure de nos e/périences; nous nous sommes toutefois rendus compte decertaines L r+les d%utilisation complémentaires pas toujours spécifiées dans les documents fournisa*ec l%appareil.

• U partir d%une tension de (0B; le systme est en surc$auffe et l%ac&uisition s%arr?te. 9ous noussommes donc limités; pour toute la durée du projet; 6 des études sous la barre des 2B.

• 3ntre deu/ ac&uisitions; il faut attendre &ue l%ailette refroidisse jus&u%6 atteindre sa températureinitiale Eau début de la premire mesureF; pour &ue les comparaisons entre deu/ ac&uisitionssoient les plus fiables possible. 9otons tout de m?me &ue l%étude t$éori&ue se résume 6l%analyse de ces données en ré+ime permanent; donc les premires secondes ne sont pas d%une+rande importance pour la partie t$éori&ue.

• our l%ailette de cui*re; une tension supérieure 6 B est nécessaire pour obtenir des données

e/ploitables. our une tension de l%ordre de B; le refroidissement 6 eau in$ibe &uasimentinté+ralement le c$auffa+e.

• #a durée moyenne des e/périences est de "00 secondes. 4%est la durée moyenne pour atteindrele ré+ime permanent; mais cela *arie en fonction du *olta+e &ue l%on utilise.

• 5u ni*eau des r+les de sécurité; il ne faut pas touc$er l%ailette pendant ou aprs l%ac&uisitioncar celle-ci atteint parfois 100V4 Etoujours fonction du *olta+eF.

1(


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+' 3O%E +4,ORI;UE


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Bilan 0ner!0tique sur dx entre t et t +dt

Φ( x)=Φ( x+dx)+h(T ( x)−T e)dS latérale

Or Φ est le flu/ du *ecteur densité de courant t$ermi&ue ⃗ "# 6 tra*ers Σ :Φ=∬

Σ

⃗"#( x) .⃗ndS

Donc "# ( x)S = "#( x+dx)S +h(T ( x)−T e) $dx

a*ec $ le périmtre mouillé; c%est-6-dire en contact a*ec le fluide &ui est ici l%air.

E $ =2(a+%) F

−d "#dx

dx S =h(T ( x)−T e) $dx

Or; d%aprs la loi de 8ourier; pour une dimension : "#=−λ dT

dxo@ λ est la conducti*ité

t$ermi&ue associée au matériau de l%ailette.

Donc λ d

2T

dx2

S =h(T ( x)−T e) $

d 2

T

dx2 −

h$

λS (T ( x)−T e)=0 é&uation de l%ailette E1F

E1F ⇔d

2T

dx2 −

(T ( x)−T e)

x02 =0 a*ec x0

2=λ S h$

x 0étant $omo+ne 6 une lon+ueur :

[ x02

]=

λS

h$ =

&'m−1. (

−1.m

2

&'m−2. ( −1. m =

m

m−1=m2

5prs résolution; E1F donne: T ( x)= )e− x x

0+ Be x

x0+T e

Il reste donc 6 déterminer les constantes d%inté+ration 6 partir de conditions au/ limites.

1


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4omme nous le *errons dans le BI; il est alors possible de tracer la courbe t$éori&ue de T ( x) .

On peut noter &ue la *aleur de Φ0

n%est pas connue. 3lle sera ajustée manuellement sur le tableur

afin d%obtenir des modles t$éori&ues les plus proc$es possibles des résultats e/périmentau/.

'2'2' emarques

#es conditions au/ limites considérées dépendent des caractéristi&ues de l%ailette mais aussi dela confi+uration de l%e/périence.

4omme nous l%a*ons mentionné précédemment EIB.1F; en début de projet; nous a*ons commencé 6tra*ailler sur un banc d%essai t$ermi&ue différent.

9 #es conditions au/ limites peu*ent alors ?tre les sui*antes :

T ( x=0)=T 0

o@ T 0

est la température imposée par la c$aleur transmise par la résistance.

T ( x→∞)=T ( x→ L)=T e o@ T e représente la température ambiante.

Il s%a+it ici du mod=le de l'ailette in1inie : la dimension de l%ailette étant +rande; on peut supposer &uele transfert t$ermi&ue induit par la résistance c$auffante n%influe pas sur la température du bout del%ailette.

Dans ce cas; on obtient : T ( x)=(T 0−T e)e−

x

x0+T e

W Validit0 du mod=le in1ini : 4e modle est *alable lors&ue e

L

x0≫1 .

Dans notre e/périence nous a*ons par e/emple : L=0;1'm et x 0=1;2m dans le casd%une con*ection naturelle interne pour une ailette en cui*re.

5pplication numéri&ue : e

0;1'

1;2 ≈1;1#e modle de l%ailette infinie n%est pas donc applicable dans ce cas.

W our *érifier ce modle d%ailette infinie il est é+alement possible d%imposer une condition decontinuité du flu/ t$ermi&ue; de la m?me faon &ue dans notre e/périence; mais cette fois-ci en

x= L ; puis&ue la température en x=0 est déj6 imposée par la résistance. Il s%a+it en fait deL l%in*erse de notre e/périence dans cette confi+uration.

our ce modle fini on obtient :

T ( x)=(T 0−T e)[ch( x

x 0)−

th( L

x0)+

h x0

(

L+h x 0

(

th( L

x0

)

sh( x x0

)]+T e

1'


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'3'2' %o$+e*tio$ $aturelle e"ter$e

our une con*ection naturelle de l%air : h


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,' ANA>SES E+ CO37ARAISONS

*.&. 3od=le th0orique et e9p0rien/e lors d'une /on?e/tion naturelle :

4omme précisé dans la partie t$éori&ue de ce rapport; la con*ection naturelle correspond au/transferts d%éner+ie entre l%ailette t$ermi&ue et un fluide &ui est au repos. 4ette con*ection peut ?tresoit interne; soit e/terne. #e terme L interne est utilisé dans le cas ou le fluide en &uestion est confinédans un espace réduit; tandis &ue le mot L e/terne indi&ue &u%un +rand *olume est disponible.

5fin de tester la *alidité de la modélisation t$éori&ue e/pli&uée précédemment; nous a*onsconfronté celle-ci a*ec les résultats obtenus e/périmentalement. ont représentées ci-dessous lescourbes t$éori&ues et e/périmentales de la température en fonction de la distance sur l%a/e principal del%ailette par rapport 6 la résistance c$auffante; pour deu/ ailettes de matériau/ différents Ecui*re etaluminiumF.

0 0:0# 0:0; 0:06 0:08 0:1 0:1# 0:1; 0:16 0:18 0:#

#%

0

%

0

%

%0

%%

60

6%

70

7%

80

20

+e5/érature en &ontion de la distane < l'ori=ine de l'ailette!résistane ali5entée < 1%> et 0:$("

+ 4 e t a ! ? 3 "

@!5" (ilette de uivre - résultats e/éri5entau

(ilette de uivre - 5odAle t4éoriue

(ilette d'alu5iniu5 - résultats e/éri5entau

(ilette d'alu5iniu5 - 5odAle t4éoriue


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Ici; on se trou*e dans le cas d%une con*ection naturelle interne; l%air au contact de l%ailettet$ermi&ue étant au repos; mais confiné dans un boStier. #e bout de l%ailette est refroidi par un courantd%eau; ramenant ainsi sa température 6 celle de l%eau; proc$e de celle de l%air de la pice.


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Il apparaSt &ue ce systme de refroidissement 6 eau ne suffit pas 6 maintenir l%e/trémité del%ailette 6 température ambiante Ec%est 6 dire ici 6 la température de l%air du laboratoire &ui est en*ironla m?me &ue celle de l%eau du circuit de refroidissementF. 3n effet; les courbes jaune et bleue montrentun écart si+nificatif de prs de 10V4 en leur dernier point. 4e constat montre &ue l%$ypot$se utilisée

dans le modle t$éori&ue consistant 6 considérer une température fi/e en bout d%ailette &uel&ue soit lematériau et le coefficient conducto-con*ectif n%est utilisable &ue lors de comparaisons d%ailettes dansdes conditions o@ ces *ariables restent dans le m?me ordre de +randeur.

22

0 00# 00; 006 008 01 01# 01; 016 018

1%

#0

#%

0

%

;0

;%

%0

%%

60

6%

e5/érature en &ontion de la distane < l'ori=ine de l'ailette!résistane ali5entée < #0> et 06("

3irulation d'eau et ventilateur

>entilateur seul

3irulation d'eau seule

@!5"

+ 4

e t a ! ? 3 "


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-' CONCUSION

9ous arri*ons au terme de ce dossier et il est temps de dresser le bilan de l%étude &ue nousa*ons menée. 9ous a*ons réussi en partie seulement les objectifs &ue nous nous étions fi/és au débutde ce projet. 9ous n%a*ons pas pu effectuer de comparaisons de l%efficacité des ailettes t$ermi&ues enfonction de leur forme 6 cause du matériel de type éducatif &ue nous a*ons utilisé &ui ne permet &u%unnombre limité d%e/périmentation; mais nous a*ons néanmoins réussi 6 comparer l%influence dumatériau/ et de l%en*ironnement Etype de con*ectionF sur la température le lon+ de celles-ci. #amodélisation informati&ue de cette é*olution de température a elle aussi été en partie effectuée : nousa*ons créé une feuille de calcul fonctionnelle pour la con*ection naturelle; mais donnant des résultatsirréalistes dans le cas de la con*ection forcée E*oir anne/eF.

re : ce projet nous aura permis 6 tous de décou*rir et de comprendre desnotions importantes de t$ermodynami&ue; notamment les différences entre les p$énomnes deconduction et de con*ection. #e tra*ail fourni lors de la conception de la modélisation fait é+alementappel au/ notions de flu/; importantes dans un +rand nombre de domaines de la p$ysi&ue. 7ien-s>r;

les apports de ce projet ne sont pas les m?me pour tous les membres du +roupe. Boici ci-dessous nosconclusions 6 titre personnel :

Estelle :

ou$aitant m%orienter *ers le département éner+éti&ue et propulsion; j%a*ais c$oisi le sujetL 5ilettes t$ermi&ues afin d%en apprendre plus sur les transferts t$ermi&ues et surtout; d%un point de*ue plus concret. 4oncernant les aspects t$éorie et modélisation du projet sur les&uels je me suisconcentrée; cela n%a pas été é*ident au début : n%ayant pas *raiment de connaissances préalables sur lesujet; il a fallu se former 6 de nou*elles notions telles &ue la conduction; m?me si nous étions déj6familiers a*ec les calculs de bilan éner+éti&ue ou de flu/ par e/emple.

7ien &ue nous nous étions fi/és des objectifs lors des premires séances; je ne *oyais alors pas*raiment comment nous y arri*erions. 8inalement il est apparu &ue le projet se construisait ets%orientait L tout seul en fonction du matériel &ue nous a*ions 6 disposition et des difficultés &uenous rencontrions au fur et 6 mesure. 5ussi nous n%a*ons pas atteint e/actement tous nos objectifs maisnous a*ons par ailleurs pu étudier des aspects &ue nous n%a*ions m?me pas en*isa+és en début de projet : par e/emple; lors&ue nous a*ons abandonné le banc d%essai t$ermi&ue d%1m)0 pour passer audispositif scolaire; 4$ristop$e et moi n%a*ions pas pensé 6 c$an+er les conditions au/ limites del%é&uation de l%ailette. Il nous a fallu un certain temps pour réaliser notre erreur et c%est seulement 6 cemoment &ue j%ai compris comment ces conditions au/ limites permettent de caractériser notree/périence dans la modélisation t$éori&ue.

Ne trou*e asseG domma+e de n%a*oir pu aller plus loin dans le projet par man&ue de temps.

4ependant; le bilan pour moi est positif de par l%intér?t du projet et la bonne entente du +roupe; &uin%était pas pré*isible puis&ue nous n%a*ions jamais tra*aillé ensemble.

Christophe :

#e projet de " aura été une bonne e/périence dans l%ensemble. Ne re+rette parfois &ue certainsde nos cours ne soient pas plus illustrés d%e/emples d%applications concrtes; essentielles pourcomprendre et s%intéresser 6 un sujet. 4e projet *a dans le sens in*erse : nous partons d%un problmee/périmental puis nous pou*ons le comparer a*ec le modle t$éori&ue &ue nous adaptons au fur et 6mesure 6 notre situation. 4%est une démarc$e &ui sort de nos $abitudes; et c%est ce &ui rend la "intéressante.

N%aurais aimé &ue nous puissions faire un plus +rand nombre d%e/périences pour améliorernotre modélisation de l%ailette t$ermi&ue; néanmoins le tra*ail effectué m%a déj6 permis d%améliorer

2(


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mes connaissances en t$ermodynami&ue; domaine &ue je rencontrerais 6 nou*eau si j%entre dans ledépartement 3. #e fait de continuer d%apprendre 6 tra*ailler en +roupe; de manire plus indépendante&ue précédemment et a*ec une certaine latitude dans la direction &ue peut prendre notre projet esté+alement trs positif.

Baptiste :

5u sortir du (me semestre TI de l%I95; mon ressenti *is 6 *is de certaines matiresconcernant la p$ysi&ue; telle &ue la t$ermodynami&ue; s%était totalement altéré par rapport 6 mes propres con*ictions en arri*ant 6 l%I95. 3n effet je pensais faire le département M345 oué*entuellement 3 en arri*ant 6 l%I95. Mais lCe/périence 1 et T1 m%ayant *raiment déplu par le faitd%apprendre une &uantité de concepts totalement L obscures &uant 6 leurs utilités; j%ai c$oisi dem%orienter *ers le département 5I.

4ependant ne *oulant pas partir sur une note trop noire concernant ce domaine p$ysi&ue; j%aic$oisi de réaliser ce projet de " sur les ailettes t$ermi&ues. 5insi cela m%a permis de mieu/comprendre tout les concepts abstraits et de pou*oir les apprécier 6 leur juste *aleur. 4ar le fait de

pou*oir; dans un m?me projet; m?ler t$éorie et prati&ue restera; 6 mes yeu/; le meilleur moyen decomprendre pour&uoi la t$ermodynami&ue a été conu d%une manire si abstraite; alors &u%il s%a+it d%undomaine de la p$ysi&ue; et bien sur de comprendre ce p$énomne de conducto-con*ection. N%ai eu lac$ance pour cela de tra*ailler au sein d%un +roupe o@ ré+nait une ambiance de tra*ail trs c$aleureuseEce &ui est super &uand on s%intéresse 6 des p$énomnes de transferts t$ermi&uesF &ui m%a permis dem%occuper a*ec 5ntoine de la partie prati&ue &ui me plaisait da*anta+e. 5insi j%ai pu mieu/ saisirl%utilité &u%ont les ailettes t$ermi&ues.

Ne ressors donc de ce projet a*ec une idée trs positi*es du tra*ail de +roupe; ainsi &u%a*ecl%idée &ue la t$ermodynami&ue est un domaine trs intéressant; mais &ui ne me fera pas c$an+er d%a*is&uant 6 mon orientation pour autant. Ma seule déception *is 6 *is du projet; &ui fut une déception+lobale du +roupe; est &ue l%on ait pas pu conce*oir nous m?me les ailettes afin de pou*oir comparerleur efficacité en fonction de leur forme; de leur taille...

Antoine :

4omme 7aptiste; je nCai pas c$oisi le sujet ailettes t$ermi&ues par affinité particulire a*eclCensei+nement de p$ysi&ue proposé lors des trois premiers semestres; mais plut=t pour *arier lecontenu de mon emploi du temps de &uatrime semestre. 5yant c$oisi la t$émati&ue 5I!M; la prati&ue e/périmentale et la p$ysi&ue en +énéral se sont faites rares.

4Cest dCailleurs ce caractre L appli&ué &ui rend la matire intéressante selon moi; et cCest pour&uoi jCai préféré me concentrer sur le tra*ail e/périmental a*ec 7aptiste. ans aller jus&uC6 dire&ue les manipulations étaient particulirement intéressantes; elles mCont clairement permis de mieu/appré$ender notre problme et nos objectifs au fur et 6 mesure des séances. 4ela se couple a*ec un

autre aspect fondamental du projet &ui est le tra*ail en +roupe : par e/emple; 3stelle et 4$ristop$e &uisCoccupaient de lCétude t$éori&ue nous ont plusieurs fois demandé des mesures supplémentaires; ou bien un certain L traitement des donnés pour mieu/ coller 6 leur tra*ail Ecomme par e/emple donnerla température en fonction du temps plut=t &uCen fonction de la position du capteur le lon+ dudispositif_F. 5insi la " sCinscrit réellement comme un tra*ail collectif; ce &ui est dCautant plusappréciable &uCil sCa+it Edepuis les T3 et encoreF de notre premire e/périence sérieuse de tra*ail en+roupe. 4Cest donc une e/périence a+réable et formatrice 6 mon sens.


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ce &ui concerne une possible L coopération a*ec le département M345 &ui peut ?tre intéressante 6inté+rer dans le contenu du projet.

4omme indi&ué précédemment; le sujet des ailettes t$ermi&ues est trop *aste pour ?tre traitéen si peu de temps par un +roupe. 3n effet; de nombreu/ points pourraient ?tre améliorés dans uneétude future.


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.' BIBIOGRA74IE

#i*res :

B< L In*entions et tec$nolo+ies Dictionnaire complet des +randes in*entions; -allimard

#2 L #arousse uni*ersel en 2 *olumes dictionnaire encyclopédi&ue; Larousse

Taine Nean et al ; ̀ Transferts T$ermi&ues; .unod

Zprépa `T$ermodynami&ue 2nde année 4-4 I-I; /achette

ites internet E*alables au 10"1(F :

$ttp:\\\.bepita.netmateriels+eneralitesprincipest$ermodynami&ues.pdf

$ttp:fr.\i]ipedia.or+\i]i$lo+isti&ue

$ttp:fr.\i]ipedia.or+\i]iTransfertt$ermi&ue

$ttp:\\\.acteurdurable.or+c$auffa+e-decentralise.$tml EIma+e con*ecteurF

$ttp:fr.\i]ipedia.or+\i]i9ombredeRaylei+$

$ttp:fr.\i]ipedia.or+\i]iDiffusi*it4(5t$ermi&ue

$ttp:fr.\i]ipedia.or+\i]i5ir

$ttp:\\\-lpmcn.uni*-lyon1.frsanmi+ueteac$in+T$ermodynami&uet$ermo11.pdf

2"

http://www.bepita.net/materiels/generalites/principes_thermodynamiques.pdfhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Phlogistiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Transfert_thermiquehttp://www.acteurdurable.org/chauffage-decentralise.htmlhttp://www.acteurdurable.org/chauffage-decentralise.htmlhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_de_Rayleighhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusivit%C3%A9_thermiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusivit%C3%A9_thermiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Airhttp://www-lpmcn.univ-lyon1.fr/~sanmigue/teaching/Thermodynamique/thermo11.pdfhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Phlogistiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Transfert_thermiquehttp://www.acteurdurable.org/chauffage-decentralise.htmlhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_de_Rayleighhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusivit%C3%A9_thermiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Airhttp://www-lpmcn.univ-lyon1.fr/~sanmigue/teaching/Thermodynamique/thermo11.pdfhttp://www.bepita.net/materiels/generalites/principes_thermodynamiques.pdf


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/' ANNE6ES

.&. ormulaire

9 2randeurs

Φ : &lu t4er5iue (& )

h : oe&&iient de trans&ert onduto-onveti& (&'m−2 . ( −1)

⃗"# : veteur densité de ourant (&'m−2)

et Φ=

∬Σ ⃗"#( x).⃗ndS !&lu de ⃗ "

#

< travers une sur&ae Σ "

λ : ondutivité t4er5iue du or/s (&'m−1 . ( −1)

β= 1T

: oe&&iient de dilatation t4er5iue isoare /our un =aC /ar&ait ( ( −1)

ρ : 5asse volu5iue (+g'm−(

)

c : a/aité t4er5iue 5assiue ( '('+g −1)

ν : visosité iné5atiue (m2 . s−1)

α : di&&usivité t4er5iue (m2 . s)

9 Dor5ules

*oi de Dourier : ⃗"#=−λ ⃗ grad (T )

o5re de Raylei=4 : Raδ= g β(T c−T f )δ

(

a ν

2'


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.-. Cour#e dans le /as de la /on?e/tion 1or/0e

4ette courbe de la température de l%ailette 6 mesure &ue l%on s%écarte de la résistance c$auffante montre&ue notre modélisation ne fonctionne pas dans le cas d%une con*ection forcée; c%est 6 dire a*ec uncoefficient conducto-con*ectif éle*é. 9ous n%a*ons pas trou*é les raisons e/actes de ce mau*aisfonctionnement.

2)

projet de physique p6 stpi_p6_2013 28. ailettes thermiques. etudiants _ enseignant-responsable du...

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