Lundi 23 novembre 2015

Analyse thermique sur le carter d’une pompe

Rapport de Lorraine CUIF & Nasar NABEEBACCUS

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Table des matières

I. Introduction – matériaux étudiés .................................... 3

II. Références ...................................................................... 3

III. Modèle de calcul .......................................................... 4

IV. Maillage ........................................................................ 4

V. Matériaux et propriétés .................................................. 5

VI. Conditions initiales & conditions aux limites ............... 5

VII. Chargement .................................................................. 5

VIII. Conclusions – résultats ............................................... 6

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I. Introduction – matériaux étudiés L’objectif de cette étude est de réaliser une analyse thermique sur un carter de pompe (cf. figures 1 & 2). Le matériau utilisé actuellement est un alliage d’aluminium. Dans ce rapport, on va explorer la possibilité de remplacer cet alliage par du plastique (polyéthylène, PE). Cela revient à comparer le comportement thermique de ces deux matériaux en considérant la répartition des températures et les flux de chaleurs d’un carter en aluminium avec celui en PE. On a donc dû faire des choix tout au long de la réalisation du modèle, principalement concernant le temps de calculs. Ce carter est placé sur une pompe chaude lors de son utilisation. De plus, l’intérieur du carter est en contact direct avec un fluide chaud qui y circule. Vous trouveriez dans cette note de calcul la justification et la preuve que notre modèle apporte des réponses optimales en coût pour le client.

II. Références Que ce soit la modélisation, le maillage ou le calcul, le travail a été réalisé uniquement avec ANSYS

Workbench 15.0. L’essai est une analyse thermique à l’état stationnaire de type linéaire, c'est-à-

dire que les propriétés thermiques des matériaux ne dépendent pas de la température imposée.

Les différentes parties du carter sont considérées à températures constantes.

Figure 1 : carter de pompe Figure 2 : carter de pompe

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III. Modèle de calcul La modélisation de la pièce n’était pas nécessaire car cette dernière était fournie sous le format « step ». La pièce ayant une géométrie particulière, une analyse 3D convient mieux pour cette étude.

IV. Maillage Dans cette partie du calcul, le but est de trouver les paramètres pertinents par rapport aux résultats demandés. Il faut garder en tête qu’un maillage trop fin demandera des temps de calcul très longs et augmentera ainsi le coût final à l’entreprise. En tenant compte de tout cela, un maillage fin a été choisi (pertinence de +100) pour visualiser les variations de température et de flux de chaleur (Nota bene : la pertinence est un paramètre qui varie de -100 à +100, -100 correspondant à un maillage grossier et +100 à un maillage fin). Ainsi, les résultats obtenus sont plus précis.

Figure 3 : maillage utilisé

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V. Matériaux et propriétés Les deux matériaux potentiels sont l’alliage d’aluminium et le polyéthylène dont les paramètres sont fournis dans la table 1 :

Propriété physique Alliage aluminium Polyéthylène

Masse volumique ρ (gcm-3) 2,70 0,94

Conductivité thermique k (Wm-1K-1) 273 0,32

Chaleur spécifique Cp (kJ kg-1K-1) 0,9 2,3

Table 1 : propriétés physiques de l’aluminium et du polyéthylène

VI. Conditions initiales & conditions aux limites Comme on fait une analyse thermique, les conditions à tenir en compte sont celles qui vont influencer les phénomènes thermiques telles que la température ambiante et celle du fluide. L’air ambiant est considéré comme stagnant et à une température de 20°C. Le fluide circulant dans la pompe est supposé à une température uniforme de 90°C.

VII. Chargement Dans le cas présent, on va appliquer 3 chargements thermiques sur le carter :

1) L’ensemble des surfaces intérieures qui sont en contact avec le fluide circulant dans la pompe sont fixées à 90°C car c’est la valeur de la température du fluide.

2) La surface intérieure du carter en contact avec la pompe est fixée à une température de

60°C.

3) La chaleur produite va diffuser dans le carter et s’évacuer dans l’environnement moteur, considéré à la température ambiante de 20°C. C’est la convection avec l’air ambiant stagnant à 20°C par les surfaces extérieures, avec un coefficient de transfert thermique estimé à 5.10-6 Wmm-2K-1 pour cette température.

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L’équation modélisant la convection est : (1)

Avec : q : le flux de chaleur h : le coefficient de transfert thermique A : surface d’échange Ta : la température de la surface de l’objet Tb : la température du fluide

VIII. Conclusions – résultats Le calcul ne dure pas longtemps, ce qui est un point positif. Les résultats de la distribution de températures et du flux de chaleur pour les 2 matériaux étudiés sont fournis sur les figures 5 à 6 :

Figure 4 : les chargements appliqués

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Figure 7 : distribution de températures pour un carter en aluminium

Figure 8 : distribution de températures pour un carter en aluminium

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Figure 9 : distribution de températures pour un carter en polyéthylène

Figure 10 : distribution de températures pour un carter en polyéthylène

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Figure 11 : distribution de flux de chaleur pour un carter en aluminium

Figure 12 : distribution de flux de chaleur pour un carter en aluminium

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Pour faire le choix de matériau et savoir si c’est rentable de remplacer l’aluminium par du polyéthylène, il faut se rappeler que l’on veut avoir un matériau qui conserve bien la chaleur. Compte tenu des résultats illustrés précédemment, on peut dire que c’est le cas pour le polyéthylène, qui garde plus la chaleur que l’aluminium. On peut ainsi conclure que le matériau le plus approprié dans ce cas est le polyéthylène qui présente les meilleures performances thermiques. Il est donc raisonnable de remplacer l’alliage d’aluminium par le polyéthylène.

Figure 13 : distribution de flux de chaleur pour un carter en polyéthylène

Figure 14 : distribution de flux de chaleur pour un carter en polyéthylène