Thermique des Composants et Systèmes

Les travaux menés dans cet axe de recherche portent sur l’accroissement de l’efficacité énergétique des systèmes énergétiques en relation directe avec l’utilisation rationnelle de l’énergie. Les composants que nous étudions sont plus particulièrement les échangeurs de chaleur, éléments essentiels largement présents dans de nombreux procédés et correspondant à des domaines d’applications industrielles multisectoriels. A cet objectif d’efficacité énergétique, s’ajoute également un objectif important de gain de matières premières nécessaires à la fabrication de ces composants dans un contexte croissant de tension sur les ressources. A cet égard, l’analyse physique et la maîtrise des mécanismes de transfert convectif constituent les enjeux capitaux de cette problématique.

Intensification des échanges par méthodes passives

Il s’agit d’accroître l’efficacité des transferts thermiques convectifs par des méthodes ne nécessitant pas d’adjonction de système ou d’énergie additionnelle (passives). Les principes mis en jeu sont le contrôle et la manipulation de l’écoulement principal et/ou la création de structures secondaires dans l’écoulement principal. Ces structures sont générées au niveau des surfaces d’échange par des éléments disposés sur la surface ou proche de celles-ci ou bien engendrées par des déformations macroscopiques des canaux de circulation des fluides. La dynamique des structures tourbillonnaires et leur impact sur le transfert thermique sont au cœur des recherches menées. En effet, la compréhension et la prédiction de la génération et de l’évolution de ces tourbillons sont des étapes de base dans les études sur la manipulation et le contrôle des écoulements visant à l’intensification des échanges convectifs. Plusieurs techniques d’investigation ont été développées au cours des dernières années afin d’étudier par voies numérique (CFD) et expérimentale, à l’aide de bancs spécifiques, les distributions d’échange thermique local (à la surface des ailettes) ainsi que les structures tourbillonnaires responsables de l’augmentation du transfert convectif. Un projet, soutenu par l’ADEME et associant trois industriels (GEA BTT, Technip et Wieland)  a été réalisé. Les recherches menées visent à optimiser des géométries innovantes en utilisant notamment une boucle logicielle d’optimisation.

Boucle logicielle d'optimisation d'un échangeur mise en œuvre à l'aide du logiciel i-SIGHT

Boucle logicielle d'optimisation d'un échangeur mise en œuvre à l'aide du logiciel i-SIGHT

Une recherche spécifique visant à qualifier finement l’évolution spatiale et la dissipation des tourbillons longitudinaux issus de promoteurs de tourbillons a été poursuivie dans le cadre d’une thèse codirigée avec le LEGI (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels) à Grenoble. Ce point est particulièrement important car les transferts convectifs associés sont étroitement corrélés à l’évolution spatiale et à la cohérence des ces tourbillons. Ces travaux sont menés expérimentalement par PIV dans un canal plan en régime pleinement développé et par simulations numériques directes (DNS) réalisées avec le code OpenFOAM.


Evolution radiale du système tourbillonnaire autour de la jonction tube-ailettes au second rang de tubes

Evolution radiale du système tourbillonnaire autour de la jonction tube-ailettes au second rang de tubes.

Par ailleurs, l’expérience acquise en terme de caractérisation d’écoulements et de distributions d’échange thermique local par mesures infrarouge a été mise en œuvre, d’une part dans le cadre d’une thèse Cifre AREVA, pour caractériser les fluctuations de température pariétale en aval d’une jonction turbulente anisotherme et, d’autre part, en partenariat avec le GEPEA (Ecole des Mines de Nantes) dans une configuration de jet bidimensionnel refroidissant une paroi mobile.

Optimisation thermodynamique des composants

L’optimisation, au sens du second principe de la thermodynamique, d’un système énergétique passe par une diminution des pertes d’énergie utile ce qui correspond à une amélioration du rendement exergétique.  En 2010, une nouvelle démarche d’optimisation thermodynamique, initialement basée sur une analyse détaillée de la théorie constructale, s’est poursuivie dans le cadre d’une thèse codirigée avec le CEP de l’Ecole des Mines de Paris. La méthode développée, appliquée dans un premier temps à une situation purement conductive, est basée sur un algorithme d’allocation progressive et contrôlée de matière. A chaque étape de construction, un élément de matière conductive est alloué localement. La localisation du nouvel élément de matière est fixée par la minimisation d’un critère prédéfini (par exemple : écart de température ou production d’entropie). Les développements en cours portent sur l’analyse comparative de différentes méthodologies d’optimisation.