1.2.3 Refroidissement par convection naturelle
L'étude des écoulements de convection naturelle
dans un canal vertical avec chauffage différentiel, trouve de nombreuses
applications pour le refroidissement des composants électroniques.
Vareilles et al.[17] ont étudié le refroidissement des cellules
photovoltaïques (PV) dont la perte de rendement est liée à
l'augmentation de la température. L'écoulement est
déstabilisé par l'alternance des sources de chaleur et des zones
froides (transparentes) sur les parois du canal. L'approche proposée est
numérique et s'appuie sur le code FLUENT.
Le problème de la convection naturelle dans un canal
horizontal muni de blocs rectangulaires sur sa paroi inférieure
adiabatique est examiné numériquement par El Alami et al. [18].
Les blocs sont maintenus à température constante. Des ouvertures
d'admission et d'évacuation d'air sont aménagées sur les
parois du canal. En raison de la périodicité du problème,
le domaine étudié a été réduit à une
cavité en forme de " "
T . Les résultats obtenus montrent que l'augmentation
du nombre de Rayleigh entraîne une augmentation du nombre de Nusselt
global et du débit d'air aspiré. La hauteur des blocs a un effet
important sur le débit massique ainsi que le nombre de Nusselt. Des
corrélations proches à celles rencontrées dans le cas du
canal vertical ou de la plaque verticale ont été
proposées.
Corvaro et Massimo [19] ont abordé une étude
expérimentale de la convection naturelle induite par une source de
chaleur protubérante enfermée dans une cavité
carrée pour deux différentes positions de la source de chaleur.
La comparaison est donnée en terme du nombre de Nusselt moyen pour
différentes valeurs du nombre de Rayleigh. Le champ des
températures est analysé par interférométrie
holographie et les résultats sont comparés avec les
résultats numériques obtenus en utilisant un logiciel
commercial.
Sivasankaran [20] a abordé l'étude de la
convection naturelle induite par des sources de chaleur montées sur une
paroi verticale isotherme d'une cavité chauffée d'une
manière
différentielle. Les parois horizontales sont
adiabatiques. Dans cette étude numérique, les champs thermique et
hydrodynamique sont analysés. L'auteur a conclut que le transfert de
chaleur au sein de la cavité est réduit à cause de la
présence des sources de chaleur et que le déplacement de
celles-ci vers le bas de la cavité permet de mieux transférer la
chaleur.
Desrayuad et al.[21] ont traité numériquement,
en régime permanent, le problème de la convection naturelle
à l'air ambiant pour le refroidissement d'une série de plaques
verticales chauffées par des sources de chaleur protubérantes. La
densité de flux de chaleur, imposée à la base de chaque
source de chaleur, est évacuée par conduction dans le substrat et
par convection naturelle. Le transfert de chaleur et l'écoulement sont
analysés et une étude paramétrique est menée. Les
auteurs ont conclu que la conductivité thermique du substrat a un effet
notable sur la température des sources de chaleur bien que la structure
de l'écoulement reste pratiquent intacte.
Le transfert de chaleur par convection naturelle laminaire
dans un canal vertical contenant deux obstacles rectangulaires disposés
symétriquement à la même hauteur sur les deux parois a
été examiné par Desrayaud et Fishera [22]. Les parois sont
isothermes et chauffées à la même température. Par
contre, les blocs sont soit adiabatiques, soit maintenus à la même
température que les parois du canal. Les résultats montrent que
le nombre de Nusselt moyen dans le cas des blocs isothermes est toujours
supérieur à celui généré dans le cas
où les blocs sont adiabatiques. Enfin, il a été
trouvé que l'augmentation de la longueur des blocs n'a qu'une influence
limitée sur le transfert de chaleur tandis que l'augmentation de sa
largeur conduit à une diminution considérable du débit
massique et du transfert de chaleur, particulièrement si la
moitié de l'ouverture est obstruée.
Kelkar et Choudhury [23] ont étudié
numériquement le problème de la convection naturelle dans un
canal vertical contenant des blocs rectangulaires chauffants sur l'une de ses
parois adiabatiques en utilisant les conditions d'un écoulement
périodique, pour les faibles
valeurs du nombre de Rayleigh. Les résultats de cette
investigation numérique, utilisant l'air comme fluide caloporteur,
montrent que le débit d'air aspiré par le canal augmente avec un
taux inférieur à la racine carrée de la longueur du
canal.
Temps adimensionnel, ô
S2
S1
S3
Figure 1.2: Evolution temporelle typique de
la température adimensionnelle moyenne de trois sources de chaleur
incrustées confinées dans une cavité rectangulaire et
refroidies par convection naturelle à l'air ambiant [24].
Il y a lieu à signaler qu'un nombre important de
travaux relatifs au refroidissement des composants électroniques par
convection naturelle se limite au régime permanent, mais il y a lieu de
noter que la connaissance du comportement du système lors des
marches/arrêts du système, ou lors de la variation d'un des
paramètres de contrôle, est essentielle pour un dimensionnement
correct des refroidisseurs, surtout quand il s'agit des équipements
électroniques très sensibles au choc thermique [24]. En effet, il
a été démontré que la température des
composants électroniques peut atteindre, en régime transitoire,
une valeur nettement supérieure à celle enregistrée en
régime permanent, comme il est illustré à la Figure
1.2.
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