Espace Hamelin, 17 rue Hamelin, Paris 16 DESIGN DÉCHANGEURS STRUCTURÉS, CFD ET MILIEUX POREUX Jean-Michel Hugo 1,2 Frédéric Topin 1 François Rochat 2 1

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


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

faire un affichage successif des trois graphes


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


Jean-Michel Hugo

changer par un photo d'un de nos échangeurs


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


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


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.



Variation de perméabilité en fonction du cisaillement

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Composante Kxx du tenseur de perméabilité



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


Quantifieur d’effets inertiels


Effets visqueux Effets Inertiels

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Facteur de mérite des surfaces d’échange



s ĞůŽĐŝƚǇ, ĞĂƚ&ůƵǆ

ĐĂƌƚ ƚǇƉĞƐƵƌĚĞƵǆƉůĂŶƐ

^ŽƵƌĐĞĚĞĐŚĂůĞƵƌƐŽƵƌĐĞ

Mesure de dispersion thermique



Milieu poreux équivalent

15 mars 2012

Flux de chaleur

Echange entre phases



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



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



Merci de votre attention.

15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés


Annexes


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Méthodologie d’optimisation multi-échelles


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


Facteur de mérite


• 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

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