Design, Build, Measure and Modify Thermal Components as you wish

Thèse CIFRE

Développement d’un outil de conception d’échangeur pour la fabrication additive

L’énergie thermique se trouve au cœur de nombreux systèmes industriel qui imposent aujourd’hui de fortes exigences lors de la conception, notamment sur les critères performances thermo-hydrauliques. Les densités de puissance peuvent atteindre les 50 W/cm², comme en électronique de puissance, voire des valeurs de l’ordre de 1000 W/cm² dans des applications de type absorption solaire. Pour ces niveaux de densités de flux de chaleur, l’utilisation des mécanismes de changement de phase liquide-vapeur s’avère incontournable afin de réduire les gradients de température au sein du système et pour limiter sensiblement l’apport d’énergie externe. Ajoutant à cela d’importants critères de coûts et de compacité, il devient nécessaire de revoir nos méthodes de production et de conception des échangeurs de chaleur pour répondre à ces exigences croissantes.

Les solutions technologiques qui apparaissent emploient des structures de surface d’échange 3D complexes. Ces structures 3D sont désormais réalisables mais elles impliquent cependant des temps de calculs et de conception longs. La fabrication additive est aujourd’hui une solution envisagée et en pleine émergence qui permet la fabrication de pièces complexes et compactes à hauts rendements, avec des coûts compétitifs en petites séries et une forte capacité à l’intégration aux systèmes complets (exemple, par la fabrication monobloc). D’autres idées peuvent également émergées comme les échangeurs-réacteurs ou intégrant une fonction mécanique. Nous avons besoin d’un outil de conception permettant de modéliser le fonctionnement global d’un échangeur diphasique et de générer des structures d’échanges complexes.

C’est de ce constat que TEMISTh a lancé le projet R&D ALGO financé par BPI France au travers d’un PTZI. Il doit nous permettre de développer et de proposer des solutions technologiques sur étagères grâce à la création d’un outil de design génératif automatisé. Il s’agira, avec cet outil, de proposer une solution technologique innovante à un cahier des charges, présentant une amélioration sur des critères de performance (puissance, masse, coût) et qui soit techniquement faisable et viable. Le développement de l’outil inclut trois grands volets d’études :

–     Modélisation macroscopique de l’ébullition/condensation

–     Intensification des transferts de chaleur et de masse

–     Optimisation structurale de l’échangeur

Les écoulements diphasiques ont été très largement étudiés pendant ces dernières décennies afin de mieux cerner les différents mécanismes physiques en jeu lors de l’interaction fluide-paroi et du changement de phase. Ces derniers présentent de fortes variations et dépendances aux grandeurs relatives aux régimes d’écoulement, aux régimes de transferts thermiques et aux propriétés de surface. Expérimentalement, on peut identifier trois zones de fonctionnement dans un échangeur diphasique: vapeur surchauffée, diphasique, liquide sous-refroidi. L’outil doit intégrer une étape de résolution macroscopique rapide pour identifier ces zones et appliquer une structure d’échange optimisée et adaptée.

Des techniques ou mécanismes d’intensification des transferts ont fait l’objet de nombreuses études expérimentales et numériques. L’état de l’art propose donc une base de données de géométries d’inserts, de micro ou nano-structurations en paroi, de géométries d’ailettes optimisées, etc. Les mécanismes de transfert évoluent tout au long de l’échangeur et sont repérables par des modifications de topologie d’écoulements et de profils sur des variables d’écoulement (température, pression, coefficient d’échange thermique, etc.). Si des moyens empiriques permettent de prédire l’apparition de ces régimes, on ne retrouve pas de structures de surfaces d’échanges adaptée à chaque zone : la topologie de surface est très souvent identique dans tout l’échangeur. Dans le cadre d’une démarche d’optimisation, il faut donc faire en sorte que l’optimisation de la structure soit adaptée aux zones de fonctionnement et aux régimes locaux présents dans l’échangeur. Dans l’exemple ci-dessous, on identifie clairement par métrologie infrarouge trois zones de fonctionnement en condensation gravitaire mais la topologie de surface (angle et pas de corrugation) est partout la même. Une surface optimisée et adaptée dans la zone diphasique permettrait de réduire la taille de l’échangeur, de le rendre plus compact et donc moins cher, et potentiellement avec moins de perte de charge.

Pour prédire le fonctionnement global d’un échangeur, nous proposons une méthode de résolution des écoulements diphasiques basée sur la méthode des volumes finis et une approche macroscopique. Dans celle-ci, on décrit les phases (solide et fluide), leurs variables propres et les phénomènes d’interaction entre elles à l’échelle macroscopique. Nous passons d’un système d’équations gouvernantes locales à un système d’équations moyennées à l’échelle d’un volume élémentaire. Schématiquement, un volume d’échange monophasique sera localement modélisé par deux phases séparées et continues, possédant des propriétés thermo-physiques effectives et un taux de présence, avec des termes sources modélisant les diverses interactions entre matrice fluide et matrice solide. Le principal avantage de cette approche est de ne pas avoir à représenter les surfaces solides frontières, ce qui implique des calculs moins lourds en nombre de mailles.

Dans le cas d’un écoulement diphasique, il y a présence de trois phases en interaction (solide, liquide et vapeur) avec présence de changement de phase liquide – vapeur, de coefficients d’échange en paroi mais aussi entre phase et interface et où la topologie de distribution des phases reste bien souvent une inconnue. Nous avons développé un modèle diphasique aux équations macroscopiques de mélange, avec une loi d’état par phase, intégrant la présence d’un poreux équivalent par le biais de termes sources d’interaction modélisant les effets de gravité, de frottements (visqueux et inertiels), d’échanges thermiques, de capillarité, etc. L’évolution de la température dans la matrice solide est également prise en compte par un solveur supplémentaire.

Quelques résultats monodimensionnels encourageants ont montré la capacité de cette approche à retranscrire les bonnes tendances de variations des grandeurs physique et une validation 2D est actuellement en cours. Des campagnes de mesures expérimentales en condition d’ébullition et de condensation sont nécessaires pour valider le code et les modèle associés aux termes sources d’interaction. Pour ces derniers, nous avons identifié des grandeurs physiques qui sont difficilement identifiables avec l’expérience seule. Cependant, un couplage fort entre le code numérique et les résultats expérimentaux vont permettre de les caractériser. De plus, ces batteries d’expériences vont permettre de constituer une base de données de corrélations/modèles pour différentes topologies de surfaces d’échanges.

Une nouvelle façon de concevoir et de produire pour les énergies du futur