DESIGN D’ÉCHANGEURS STRUCTURÉS, CFD ET MILIEUX POREUX 22mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 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 Me présenter, présenter le labo et mota Jean-Michel Hugo

Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 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

Pourquoi le matériau mousse ? 15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 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 Parler de quelques point forts : surfaces spécifiques importantes, bon absorbeur de chocs, bon mélangeurs  bon pour des applications multifonctionnelle Placer les mousses par rapport aux ailettes et au lit de bille: Perte de charge largement supérieur aux ailette mais en dessous des lit de billes Coeff d’échange supérieur aux ailettes et inférieur au lit de billes Très bon facteur de mérite ça montre la nécessité de redessiner les architectures des échangeurs ça montre aussi, au travers des perfs des fils tressés, qu’une optimisation des textures est nécessaires Pour cela, nous proposons une étude des échangeurs à plusieurs niveaux Jean-Michel Hugo

Les échangeurs à mousse 15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 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

Les différents niveaux d’étude 15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés Les différents niveaux d’étude Jean-Michel Hugo

Volume représentatif d’un échangeur de chaleur 22 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés Volume représentatif d’un échangeur de chaleur Température de paroi Pression de sortie Taille de VER Etablissement de l’écoulement Couche Limite thermique “brisée” Mélange des filets fluide  Augmentation des transferts Representative Heat Exchanger Unit Volume Pression d’entrée ou débit massique 15mm

Simulation numérique à l’échelle du pore 15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés Simulation numérique à l’échelle du pore 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 15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés Variation de perméabilité en fonction du cisaillement Composante Kxx du tenseur de perméabilité

Validité de la loi de Forchheimer 15 mars 2012 Journée Intensification des Transferts dans les Échangeurs Thermiques et Multifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation Validité de la loi de Forchheimer  

Transition vers les effets inertiels 22 mars 2012 Journée SFT échangeurs réactif et milieux structurés Transition vers les effets inertiels Jean-Michel Hugo

Quantifieur d’effets inertiels 15 mars 2012 Journée Intensification des Transferts dans les Échangeurs Thermiques et Multifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation Quantifieur d’effets inertiels   Effets visqueux Effets Inertiels

Facteur de mérite des surfaces d’échange 15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés Facteur de mérite des surfaces d’échange  

Mesure de dispersion thermique 15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés Mesure de dispersion thermique

Milieu poreux équivalent 15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés Milieu poreux équivalent   Flux de chaleur Echange entre phases Vitesse

Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 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

Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 15 mars 2012 Journée SFT Echangeurs-réactifs et milieux structurés 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 Merci de votre attention.

Multifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation 15 mars 2012 Journée Intensification des Transferts dans les Échangeurs Thermiques et Multifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation Annexes

Méthodologie d’optimisation multi-échelles 15 mars 2012 Journée Intensification des Transferts dans les Échangeurs Thermiques et Multifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation Méthodologie d’optimisation multi-échelles

Multifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation 15 mars 2012 Journée Intensification des Transferts dans les Échangeurs Thermiques et Multifonctionnels : Techniques, Outils d'analyse et Optimisation 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 e=87% Etirement en Oy de 0,4 à 4