Post on 04-Apr-2015
Espace Hamelin, 17 rue Hamelin, Paris 16
DESIGN D’ÉCHANGEURS STRUCTURÉS, CFD ET MILIEUX POREUX
Jean-Michel Hugo1,2
Frédéric Topin1
François Rochat2
1Laboratoire IUSTI CNRS UMR 7343 2MOTA SA Cooling System
Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés22mars 2012
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Contexte• Design d’échangeur de chaleur:
• Augmentation des transferts de chaleur• Limitation de la perte de charge• Réduction de l’encombrement/poids/coût
• Conception et production d’une série de prototypes = long & coûteux
• CFD Choix de géométries optimisées• 1 Validation sur banc d’essais
• Intégration des matériaux mousses
Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 2/16
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Pourquoi le matériau mousse ?
• Seulement entre 5% et 15% de solide
• Surface spécifique de 250 à 10000m²/m3
• Perméabilités relativement hautes.• Des conductivités thermiques
effectives de 5 à 30W/mK• Une résistance:
• aux chocs thermiques,• aux hautes températures, • à l’humidité, • à l’usure • aux cycles thermiques• aux hautes pressions
• Bon absorbeur de chocs• Taille de pore et porosité contrôlées
par les manufacturiers.• Facilement usinables• Excellents absorbeurs sonores• Promoteurs de mélange
15 mars 2012 3/16Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Les échangeurs à mousse• Potentiel important pour :
• Ecoulements à bas nombres de Reynolds• Echangeurs multifonctionnels
• Pas d’industrialisation – marché de niche• Frilosité des clients/manufacturiers
• Verrous techniques : la liaison mousse/paroi• Verrous scientifiques : peu de données
généralisables – étude de cas
15 mars 2012 4/16Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Les différents niveaux d’étude15 mars 2012 5/16
Approches / Niveau de l’échelle Schéma de principe Détails
Simulation directe à l’echellemillimétrique
• Volumes restreints à une maille élémentaire
• Calculs rapides et comparatifs• Etudes paramétriques de la
morphologie des ailettes
Simulation directe sur une section représentative
d’échangeur
• Calcul sur une section élémentaire d’échangeur Mota
• Prédiction des performances du nouveau faisceau
• Détermination de propriétés Effectives.
Simulation milieu poreux équivalent sur une géométrie
entière d’échangeur
• Simulation de la géométrie entière• Prédiction des performances
globales de l’appareil• Etude paramétriques sur
l’architecture
Approche nodale d’un faisceau tubes ailettes
• Synthèse de la base de données générée : proposition de corrélations propriétés thermophysiques/morphologiques
• Outil de dimensionnement BE
Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Volume représentatif d’un échangeur de chaleur
Pression d’entrée ou débit massique
Pression de sortieTempérature de
paroi
15mm
•Taille de VER•Etablissement de l’écoulement•Couche Limite thermique “brisée”•Mélange des filets fluide• Augmentation des transferts
22 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 6/16
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Simulation numérique à l’échelle du pore
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• Reconstruction 3D des mousses à partir de tomographie
• Résolution des équation de Navier-Stokes et de conservation de l’énergie
• Obtention des champs locaux• Détermination des propriétés
effectives par prise de moyenne• Etude paramétriques de la texture
des mousses
• Relation morphologie/propriétés thermophysiques
Transferts conjugués dans une mousse de réplication.
Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Variation de perméabilité en fonction du cisaillement
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Composante Kxx du tenseur de perméabilité
Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Validité de la loi de Forchheimer
15 mars 2012 Journée Intensification des Transferts dans les Échangeurs Thermiques etMultifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation
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Transition vers les effets inertiels
22 mars 2012 Journée SFT échangeurs réactif et milieux structurés 10/16
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Quantifieur d’effets inertiels
15 mars 2012 Journée Intensification des Transferts dans les Échangeurs Thermiques etMultifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation
Effets visqueux Effets Inertiels
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Facteur de mérite des surfaces d’échange
15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 12/16
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Mesure de dispersion thermique
15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 13/16
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Milieu poreux équivalent
15 mars 2012
Flux de chaleur
Echange entre phases
Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 14/16
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Echangeur Entier•En bleu :
•Zone fluide classique•Entrée/Boite à air/Sortie
•En marron clair:•Milieux poreux Equivalent•Faisceau tubes ailettes
•Milieux Poreux Equivalent =Uniquement les ailettes
Utilisation possible de source volumique Modélisation des tubes
Prédiction des performances thermo-aérauliques
Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 15/16
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Conclusions• Simulations numériques à l’échelle du pore:
• Sur des géométries réelles et virtuelles• Meilleures compréhensions des phénomènes locaux• Relation entre morphologies et propriétés effectives base de données
• Utilisation d’une méthodologie multi-échelle : • Modélisation numérique à plusieurs niveaux• Permet l’optimisation des échangeurs à mousses
15 mars 2012 16/16Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Merci de votre attention.
15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés
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Annexes
15 mars 2012 Journée Intensification des Transferts dans les Échangeurs Thermiques etMultifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation
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Méthodologie d’optimisation multi-échelles
15 mars 2012 Journée Intensification des Transferts dans les Échangeurs Thermiques etMultifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation
Performances souhaitées : 2 voies d’optimisations
Simulation numérique sur des canaux rectangulaire simples
Etudes paramétriques complètes sur la géométrie: pas d’ailettes, mailles, formes…
Base de données de résultats thermo-hydrauliques
Simulation numérique sur la géométrie entière : milieu poreux équivalent
Architecture d’échangeur optimisée
Simulation numérique sur un échangeur entier : Approche
milieux poreux + méthode nodaleLes
performances sont-elles atteintes ?
OUI
NON
Simulation numérique sur une section d’échangeur
Les performances
sont-elles atteintes ?
NON
OUI
Jean-Michel Hugo – Laboratoire IUSTI – MOTA Cooling System
Facteur de mérite
15 mars 2012 Journée Intensification des Transferts dans les Échangeurs Thermiques etMultifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation
• Configuration transverse des flux
• Prise en compte de:• Perte de charge• Conductivité transverse• Surface d’échange
• Base de données :• Cellule de Kelvin Dp=14,2mm =87%• Etirement en Oy de 0,4 à 4