Chaire NEO

La conception par simulation numérique de techniques d’intensification passives

Cet axe concerne l’amélioration et l’optimisation de la structuration des écoulements de fluides et de l’efficacité associée. Cette piste de développement est essentiellement centrée sur les géométries de canaux intégrant par exemple des éléments de production de dynamique tourbillonnaire dont le rôle est connu pour être déterminant en termes de gain de performances de transferts et de mélange. Les canaux innovants que nous souhaitons étudier auront des surfaces d’échange particulières munies de macro et micro-structurations. Les macro-structurations (taille millimétrique), à disposer sur les surfaces d’échange, les ailettes (côté écoulement gazeux) mais également les parois des canaux d’écoulement liquide, ont un impact très important sur l’efficacité des composants que sont les échangeurs embarqués. 

Les micro-structurations (taille de quelques dizaines de microns) correspondent à des structurations de surface qui peuvent être obtenues par divers procédés d’usinage ou de dépôts de surface. Ces micro-structurations sont également le résultat des procédés classiques de fabrication des surfaces d’échanges qui créent en raison des imperfections des outils et des phénomènes d’usure de ceux-ci des petites variations géométriques des surfaces d’échange. Au final, ces micro-structurations qu’elles soient voulues, ou obtenues par les variations géométriques imposées par le process industriel, ont des effets très importants sur les phénomènes de transition turbulente, les transferts thermiques, la diminution des pertes de charge, ainsi que sur les phénomènes de corrosion et d’encrassement.

Développement de techniques d’optimisation topologiques

Cette partie concerne la mise en œuvre de techniques numériques d’optimisation topologique. Ce type d’optimisation appliqué à des problèmes de transferts conducto-convectifs est une innovation majeure. Initialement développé en mécanique du solide, son développement dans le domaine de la fluidique et de la thermique est très récent et encore très limité. Comparée aux techniques d’optimisation paramétrique et aux techniques d’optimisation de surfaces par utilisation de solveur adjoint, l’optimisation topologique est une méthode d’optimisation particulièrement pertinente car elle n’utilise aucune hypothèse prédéfinie concernant la géométrie du système. Autrement dit, à partir de n’importe quelle géométrie de départ, l’optimisation topologique traite chaque cellule de maillage comme un degré de liberté indépendant du système ce qui représente une avancée très importante pour créer des échangeurs optimaux par rapport à l’optimisation paramétrique qui fixe une géométrie initiale. Un autre point important réside dans le fait qu’elle autorise l’utilisation de la totalité du volume du domaine de calcul pour trouver une solution optimale d’allocation de la matière. L’objectif de ce second axe d’études est de concevoir une plateforme numérique d’optimisation topologique conducto-convective interagissant avec un code de CFD open source permettant de traiter des configurations d’écoulement anisotherme complexes que sont par exemple les échangeurs embarqués. L’objectif et intérêt principal du développement et de l’utilisation de cette approche innovante d’optimisation sera de fournir une aide déterminante dans la conception de géométries d’échangeurs intensifiés. Les résultats fournis par ce type d’optimisation étant par essence libre de toutes hypothèses prédéfinies, elles constitueront une base de solutions originales de techniques d’intensification dont le chercheur s’inspirera pour faire évoluer les géométries des échangeurs VALEO. Il est également important de rappeler ici que la fabrication additive, utilisant des matériaux métalliques et polymères, permet l’élaboration de géométries inaccessibles jusque-là par les modes de fabrication standard, et de ce fait s’accorde parfaitement avec les formes optimales trouvées par optimisation topologique.

Développement de méthodes expérimentales d’identification de champs thermiques et dynamiques

Ce troisième axe d’études concerne le développement de méthodes métrologiques expérimentales avancées pour l’analyse phénoménologique des mécanismes physiques et la validation expérimentale des simulations numériques. Il est en effet crucial de pouvoir valider, à différents types d’échelle les solutions géométriques et les techniques d’intensification étudiées. Le CERI EE possède un savoir-faire et des techniques et méthodologies de mesure permettant l’analyse fine et la qualification des performances de différents types de composants thermiques de géométries complexes. Les dispositifs de mesure mis en œuvre sont notamment des techniques de thermographie infrarouge et de vélocimétrie par imagerie de particules stéréoscopique (SPIV). Associées à ces techniques de mesure évoluées, le laboratoire développe les méthodes nécessaires (techniques mathématiques inverses) à l’obtention et l’identification des champs d’écoulement et thermiques, données fondamentales pour l’analyse des transferts convectifs.