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Amélioration de l'efficacité des récepteurs solaires par manipulation de la turbulence dans les canaux caloporteurs : de la compréhension physique à l'optimisation par apprentissage automatique

Cette thèse étudie l'efficacité des oscillations transverses pariétales pour induire un transfert thermique dissymétrique dans les écoulements turbulents pariétaux. L'approche méthodologique repose sur une combinaison de simulations numériques et de techniques d'apprentissage automatique. Le travail se développe selon trois axes interconnectés. Premièrement, des simulations numériques directes d'un canal plan oscillant sont réalisées pour établir des cas de référence. Cette maquette numérique présente une forte analogie de Reynolds dans le cas non contrôlé, ce qui permet d'évaluer le potentiel d'une amélioration préférentielle du transfert thermique par rapport à la traînée. Une attention particulière est portée aux mécanismes physiques à l'origine du découplage thermique-dynamique. Ces mécanismes impliquent des modifications complexes de l'écoulement pariétal. Deuxièmement, une comparaison systématique de techniques de réduction de dimensionnalité est menée dans le but de développer un modèle à dimension réduite. Cette comparaison inclut plusieurs méthodes d'apprentissage automatique, notamment les autoencodeurs convolutionnels, la décomposition orthogonale propre et les autoencodeurs variationnels Beta. Troisièmement, l'algorithme d'optimisation par politique, adapté de l'apprentissage par renforcement profond et couplé à des simulations implicites aux grandes échelles, permet des études paramétriques exhaustives de l'amplitude et de la période des oscillations. Ces études sont appliquées à la réduction de traînée, à l'augmentation du transfert thermique et au transfert thermique dissymétrique. Cette approche est ensuite étendue à l'optimisation de la forme du signal de contrôle via une paramétrisation polynomiale. Les résultats obtenus améliorent significativement la compréhension des oscillations transverses pariétales en tant que stratégie de contrôle pour l'optimisation du transfert thermique. La méthodologie développée et les analyses menées fournissent des bases solides pour étendre ces travaux à des scénarios plus réalistes. Ces avancées sont particulièrement pertinentes dans le cadre des centrales solaires à concentration, où de telles stratégies de contrôle pourraient significativement améliorer l'efficacité énergétique et contribuer aux efforts d'atténuation du changement climatique.

Mots-clés libres : simulations numériques, écoulements turbulents pariétaux, turbulence proche paroi, transfert thermique dissymétrique, oscillations transverses pariétales, apprentissage par renforcement simplifié, optimisation par politique, autoencodeurs, modélisation d'ordre réduit.

Rameau (langage normalisé) :
• Simulation par ordinateur
  
• Turbulence
  
• Transfert de chaleur
  
• Apprentissage automatique
  
• Couche limite -- Contrôle
  
• Modèles mathématiques