Modélisation aérothermique des machines tournantes 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

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

Introduction & Contexte Fermeture des moteurs pour les protéger des poussières extérieures Trois paramètres importants pour l’écoulement  Étude sur les canaux rotoriques Stator Ventilateur extérieur Rotor Brasseur interne

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)

Introduction & Contexte Choix du modèle de turbulence Analyse d’un cas de référence Influence de la forme de la section de passage Conclusion & Perspectives

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

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 D = 25 mm H = 0,0825 m L = 0,285 m Les 2 géométries étudiées semblables  on se fixe les dimensions du moteur de notre étude

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) Axe de rotation Excentricité Entrée Sortie

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 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

Choix du modèle de turbulence Résultat de la littérature : NuB = 39,3 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 Résultats convenables avec le modèle k ω standard

Introduction & Contexte Choix du modèle de turbulence Analyse d’un cas de référence Influence de la forme de la section de passage Conclusion & Perspectives

Analyse d’un cas de référence Changement de température de référence avec Démarche de calcul 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

Analyse d’un cas de référence Vues de côté Lignes de courant

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

Introduction & Contexte Choix du modèle de turbulence Analyse d’un cas de référence Influence de la forme de la section de passage Conclusion & Perspectives

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) Deux positions testées Position horizontale Position verticale a/b = 1,64 Axe de rotation Axe de rotation Maillage d’environ 320 000 éléments

Influence de la forme de la section de passage Les conditions de simulation (entrée/sortie, modèle de turbulence, etc…) sont les mêmes que précédemment. Lignes de courant Position horizontale Position verticale

Influence de la forme de la section de passage Position horizontale Température (K) Position verticale Échauffement de 85,5° Échauffement de 77°

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

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 % Évolution du groupement h*S + 37,3 % + 14,4 % La section de passage a été conservée mais la surface d’échange a été modifiée! (augmentation de 6% par tube) Remarque: La conservation du diamètre équivalent nous a permis de conserver les mêmes pertes de charge linéaires pour un débit donné.

Introduction & Contexte Choix du modèle de turbulence Analyse d’un cas de référence Influence de la forme de la section de passage Conclusion & Perspectives

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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