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CNRT Futurelec

Lille

Modélisation aérothermique des machines tournantes

Application à un moteur de traction ferroviaire

A. Fasquelle, J. Pellé, S. Harmand

Journée d’étude SFT – Convection dans les systèmes complexes 15/03/07 Paris

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Introduction & Contexte

Échauffements importants des moteurs électriques

(moteurs actuels de plus petite taille et de puissance plus élevée)

  Problème de dissipation de la chaleur

  Les échanges convectifs mal connus au sein des moteurs

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Stator

Rotor Ventilateur extérieur

Brasseur interne

Fermeture des moteurs pour les protéger des poussières extérieures

Introduction & Contexte

Trois paramètres importants pour l’écoulement

Étude sur les canaux rotoriques

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Introduction & Contexte

Moteur étudié :

Moteur fermé auto-ventilé de traction ferroviaire

(puissance nominale de 210 kW)

Rotor :

percé de 12 canaux rotoriques circulaires

Étude des écoulements et des transferts convectifs

  Approche numérique (Fluent v.6.2)

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  Introduction & Contexte

  Choix du modèle de turbulence

  Analyse d’un cas de référence

  Influence de la forme de la section de passage

  Conclusion & Perspectives

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Choix du modèle de turbulence

Approche statistique : les équations de Navier-Stokes sont moyennées (RANS)

Des termes inconnus apparaissent : contraintes de Reynolds

Problème de fermeture : 2 équations de transport supplémentaires

Modèles k–ε

standard : le plus utilisé, bien adapté pour les écoulements pleinement turbulents

RNG : adaptation pour la rotation (amélioration par rapport au standard pour les

lignes de courant fortement courbées)

realizable : adaptation pour la rotation, les recirculations…

Modèles k–ω

standard : adaptation pour la rotation et pour les traitements près des parois

SST : mélange entre les modèles k-ω standard et k-ε standard

bonne prise en compte des effets de cisaillement

k énergie cinétique turbulente & ε taux de dissipation de l’énergie turbulente k énergie cinétique turbulente & ω taux de dissipation spécifique

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Choix du modèle de turbulence

« Contribution à l’étude des conditions d’écoulement dans le circuit de refroidissement d’un moteur électrique de type ouvert » thèse de doctorat de B. Baudoin 1987

Caractérisation des transferts thermiques dans le circuit de refroidissement d’un moteur ouvert.

Étude thermique expérimentale menée pour des canaux rotoriques : Débit traversant les tubes variant de 0 à 300 m3/h Vitesse de rotation variant de 0 à 1470 tr/min

Les 2 géométries étudiées semblables on se fixe les dimensions du moteur de notre étude

L = 0,285 m

H =

0,0

825

m D

= 2

5 m

m

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Excentricité

Entrée

Sortie

Choix du modèle de turbulence

Modèle numérique Entrée : débit axial de 0,006 kg/s & Sortie : condition d’« outflow »

Vitesse de rotation de 700 tr/min Maillage de 300 000 éléments environ

Modélisation de la rotation par un changement de repère (on se place dans le repère tournant)

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Choix du modèle de turbulence Comparaison des nombres de Nusselt moyens

Baudoin :

Corrélation pour le nombre de Nusselt moyen dans un tube sans rotation

avec :

Corrélation pour le nombre de Nusselt moyen dans un tube avec rotation

avec :

le nombre de Rossby Fluent :

une température de 200°C est imposée sur le tube (température d’entrée de 50°C)

on relève l’évolution du flux sur la paroi

on calcule le nombre de Nusselt local et moyen

Température de mélange

dans la section centrale du conduit

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Choix du modèle de turbulence

T référence (K) Nu moyen % erreur

k ε standard 343,67 64,9 65,3

k ε RNG 342,82 62,0 57,8 k ε realizable 341,49 57,3 45,8

k ω standard 337,27 43,1 9,6 k ω SST 338,52 47,2 20,0

Résultat de la littérature : NuB = 39,3

Résultats convenables avec le modèle k ω standard

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  Introduction & Contexte

  Choix du modèle de turbulence

  Analyse d’un cas de référence

  Influence de la forme de la section de passage

  Conclusion & Perspectives

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Analyse d’un cas de référence

Changement de température de référence avec

Modèle numérique

Conservation du maillage précèdent / modèle de turbulence k ω standard Entrée : débit axial de 0,0015 kg/s (débit total circulant dans les 12 canaux de 0,018 kg/s)

Sortie : condition d’« outflow » Vitesse de rotation de 2200 tr/min

Température imposée à la paroi (basée sur observations expérimentales)

Fluent

Densité de flux convectif sur la paroi φconv

Calcul du nombre de Nusselt moyen

Démarche de calcul

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Analyse d’un cas de référence

Lignes de courant

Vues de côté

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Analyse d’un cas de référence

Évolution du nombre de Nusselt moyen par zone

Entrée de canal

Impact de l’air sur la paroi

Nusselt moyen de 29,1

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  Introduction & Contexte

  Choix du modèle de turbulence

  Analyse d’un cas de référence

  Influence de la forme de la section de passage

  Conclusion & Perspectives

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Influence de la forme de la section de passage

Passage à une section de passage elliptique de même diamètre équivalent

(i.e. de même section de passage)

a/b = 1,64 Deux positions testées

Position horizontale Position verticale

Maillage d’environ 320 000 éléments

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Influence de la forme de la section de passage

Lignes de courant

Position horizontale

Position verticale

Les conditions de simulation (entrée/sortie, modèle de turbulence, etc…) sont les mêmes que précédemment.

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Influence de la forme de la section de passage

Température (K)

Échauffement de 85,5°

Échauffement de 77°

Position horizontale

Position verticale

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Influence de la forme de la section de passage

Évolution du nombre de Nusselt moyen par zone

Entrée de canal

Impact de l’air sur la paroi

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Influence de la forme de la section de passage

T référence (K)

Échauffement de l’air

Nu moyen

Évolution par rapport à la forme initiale (%)

Tube circulaire 359,2 72,3 29,1 -

Tube elliptique horizontal 365,7 85,5 37,5 + 29,43 %

Tube elliptique vertical 361,5 77,0 31,2 + 7,85 %

La section de passage a été conservée mais la surface d’échange a été modifiée! (augmentation de 6% par tube)

Évolution du groupement h*S

+ 37,3 %

+ 14,4 %

Remarque:

La conservation du diamètre équivalent nous a permis de conserver les mêmes pertes de charge linéaires pour un débit donné.

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  Introduction & Contexte

  Choix du modèle de turbulence

  Analyse d’un cas de référence

  Influence de la forme de la section de passage

  Conclusion & Perspectives

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Conclusion & Perspectives

Analyse des échanges convectifs dans un canal en rotation autour de son axe

  Le changement de forme de section de passage (de circulaire à elliptique)

permet une augmentation de l’échange jusqu’à 40 %

Autres modifications en cours d’analyse ou envisagées :

l’excentricité,

la rugosité,

l’ajout de promoteurs de turbulence,

l’ajout de déflecteurs à l’entrée (influence de l’orientation) …

Finalisation de montage d’une maquette expérimentale

(thermographie infrarouge, méthode inverse)

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Merci de votre attention.

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