SOUTENANCE DE PROJET DE FIN D ÉTUDES Développement d un modèle d échangeur thermique pour l étude par simulation numérique 3D sous FLUENT Franck LE RHUN Valeo Engine Management Systems 4 septembre 2007 1 / 37
Plan 1 2 Synthèse sur les échangeurs de chaleur 3 4 5 2 / 37
Plan Contexte Objectifs du stage Planning 1 2 Synthèse sur les échangeurs de chaleur 3 4 5 3 / 37
Contexte Contexte Objectifs du stage Planning Exigence : modèle numérique 3D complet de l EGR Banc d essai numérique Augmentation de la finesse de prévision Diminution des délais de livraisons 4 / 37
Objectifs du stage Contexte Objectifs du stage Planning Rédiger une synthèse bibliographique sur les échangeurs de chaleur Réaliser un modèle FLUENT complet d échangeur thermique par la prise en compte de ses effets sur l écoulement gazeux dans un système EGR Valider le modèle et le mettre en production 5 / 37
Objectifs du stage Contexte Objectifs du stage Planning Rédiger une synthèse bibliographique sur les échangeurs de chaleur Réaliser un modèle FLUENT complet d échangeur thermique par la prise en compte de ses effets sur l écoulement gazeux dans un système EGR Valider le modèle et le mettre en production 5 / 37
Objectifs du stage Contexte Objectifs du stage Planning Rédiger une synthèse bibliographique sur les échangeurs de chaleur Réaliser un modèle FLUENT complet d échangeur thermique par la prise en compte de ses effets sur l écoulement gazeux dans un système EGR Valider le modèle et le mettre en production 5 / 37
Planning au 21/08/2007 Contexte Objectifs du stage Planning 6 / 37
Plan Modélisation des échangeurs Les coolers EGR Valeo 1 2 Synthèse sur les échangeurs de chaleur 3 4 5 7 / 37
Architecture Modélisation des échangeurs Les coolers EGR Valeo 8 / 37
Efficacité Modélisation des échangeurs Les coolers EGR Valeo Pour le fluide chaud : E c = Q mc p,chaud (T ce T cs ) Q m C p,min (T ce T fe ) T ce fluide chaud en entrée T cs fluide chaud en sortie T fe fluide froid en entrée T fs fluide froid en sortie 9 / 37
Méthode NUT Modélisation des échangeurs Les coolers EGR Valeo Facteur de déséquilibre : R = Q mc p (chaud) Q m C p (froid) Pour R 1, le fluide chaud commande l échange de chaleur E = 1 e NUT avec : NUT = 1 S 1 h c + 1 Q h m C p (chaud) f 10 / 37
Section efficace Modélisation des échangeurs Les coolers EGR Valeo Coefficient homogène à un surface : p = Q2 m 2ρS 2 eff Modèle en V 2 uniquement Pas d effets visqueux Non extrapolable Non adapté pour les faisceaux de tubes 11 / 37
Milieu poreux Modélisation des échangeurs Les coolers EGR Valeo Loi de Forchheimer : P L = βρv2 i + µ k f V i Le milieu poreux plus valide que S eff car V et V 2 Deux variables d adaptation : β : résistance inertielle k f : perméabilité Facilement intégrable dans FLUENT Validité isotherme uniquement 12 / 37
Exhaust Gas Recirculation Modélisation des échangeurs Les coolers EGR Valeo But : Diminuer la production de NO x en changeant le C p des gaz frais 13 / 37
Synthe se sur les e changeurs de chaleurs Mode le de refroidisseur EGR Mode lisation des e changeurs Les coolers EGR Valeo Le syste me EGR Vanne de dosage Refroidisseur de gaz EGR Bypass de refroidisseur 14 / 37
Le refroidisseur Modélisation des échangeurs Les coolers EGR Valeo 15 / 37
Particularité du cooler EGR Modélisation des échangeurs Les coolers EGR Valeo Technologies variées Types de tubes (géométries, corrugations) Architecture (1 ou 2 passes tubes, sections) Fortes variations de température ( T 600 K) Coefficients d échange élevés (500 W.m 2 K 1 côté EGR) Le fluide chaud commande l échange (2.10 3 R 0, 1) Encrassement par les gaz brûlés Ordres de grandeur : Efficacité de 50 à 90% Perte de charge jusqu à 50 mbar à 30 g.s 1 16 / 37
Particularité du cooler EGR Modélisation des échangeurs Les coolers EGR Valeo Technologies variées Types de tubes (géométries, corrugations) Architecture (1 ou 2 passes tubes, sections) Fortes variations de température ( T 600 K) Coefficients d échange élevés (500 W.m 2 K 1 côté EGR) Le fluide chaud commande l échange (2.10 3 R 0, 1) Encrassement par les gaz brûlés Ordres de grandeur : Efficacité de 50 à 90% Perte de charge jusqu à 50 mbar à 30 g.s 1 16 / 37
Particularité du cooler EGR Modélisation des échangeurs Les coolers EGR Valeo Technologies variées Types de tubes (géométries, corrugations) Architecture (1 ou 2 passes tubes, sections) Fortes variations de température ( T 600 K) Coefficients d échange élevés (500 W.m 2 K 1 côté EGR) Le fluide chaud commande l échange (2.10 3 R 0, 1) Encrassement par les gaz brûlés Ordres de grandeur : Efficacité de 50 à 90% Perte de charge jusqu à 50 mbar à 30 g.s 1 16 / 37
Plan Méthodes actuelles Maillage de test Choix d un modèle 1 2 Synthèse sur les échangeurs de chaleur 3 4 5 17 / 37
Méthodes actuelles Maillage de test Choix d un modèle Modèle de milieu poreux et recalage analytique Géométrie et recalage au cas par cas Adiabatique uniquement 18 / 37
Saut de température Méthodes actuelles Maillage de test Choix d un modèle Résultats hors adiabatique Discrétisation minimale Mise en série des phénomènes physiques 19 / 37
Banc d essais CFD Méthodes actuelles Maillage de test Choix d un modèle Géométrie simplifiée Extrusion cooper d un disque (120 000 mailles) 5 Dh en entrée Cooler poreux de longueur variable 7 Dh jusqu au post-traitement 3 Dh en sortie Conditions aux limites Mass-flow Inlet Pressure Outlet 20 / 37
Maillage de test Méthodes actuelles Maillage de test Choix d un modèle Solver k ω SST Compressible Convergence 2 nd ordre : 350 itérations Environ 25 minutes 21 / 37
Méthodes actuelles Maillage de test Choix d un modèle Milieu poreux avec puits de chaleur 22 / 37
Aspect thermique Méthodes actuelles Maillage de test Choix d un modèle Source négative de chaleur, à flux constant ou décroissant 23 / 37
Aspect fluidique Méthodes actuelles Maillage de test Choix d un modèle Milieu poreux de Forchheimer P L = βρv2 i + µ k f V i Bon recalage en adiabatique Ne convient que pour un seul cas Pas de prise en compte de l aspect thermique 24 / 37
Aspect fluidique Méthodes actuelles Maillage de test Choix d un modèle 25 / 37
Aspect fluidique Méthodes actuelles Maillage de test Choix d un modèle 26 / 37
Autre loi pour le milieu poreux Méthodes actuelles Maillage de test Choix d un modèle Proposition de loi de perte de charge : P L = (α L + β)ρv2 i + µ k f V i Variation du coefficient inertiel L efficacité dépend de la longueur du cooler Prise en compte des phénomènes thermiques 27 / 37
Plan Méthode Interface 1 2 Synthèse sur les échangeurs de chaleur 3 4 5 28 / 37
Recalage en efficacité Méthode Interface Utilisation de la méthode NUT Recalage sur le terme hs : Moins de 5 % d erreur 29 / 37
Recalage en perte de charge Méthode Interface Recalage empirique de α, β et k f 30 / 37
Intérêts Méthode Interface Prétraitement facilité Prévision analytique de résultats Capitalisation Récupération de données Log des opérations effectuées Standardisation Pré et Post traitement partiellement automatisés Sans utilisation de licence FLUENT 31 / 37
Intérêts Méthode Interface Prétraitement facilité Prévision analytique de résultats Capitalisation Récupération de données Log des opérations effectuées Standardisation Pré et Post traitement partiellement automatisés Sans utilisation de licence FLUENT 31 / 37
Intérêts Méthode Interface Prétraitement facilité Prévision analytique de résultats Capitalisation Récupération de données Log des opérations effectuées Standardisation Pré et Post traitement partiellement automatisés Sans utilisation de licence FLUENT 31 / 37
Architecture Méthode Interface 32 / 37
Outils Méthode Interface Calcul thermique analytique Recalage de modèle avec maillage de test Génération de géométries de cooler Journaux FLUENT de chargement Interface web Moteur Python Grapheur GNUplot Logiciels sous licence libres, formats ouverts 33 / 37
Outils Méthode Interface Calcul thermique analytique Recalage de modèle avec maillage de test Génération de géométries de cooler Journaux FLUENT de chargement Interface web Moteur Python Grapheur GNUplot Logiciels sous licence libres, formats ouverts 33 / 37
Méthode Interface MOdélisation d Échangeurs de Chaleur Automobiles 34 / 37
Méthode Interface MOdélisation d Échangeurs de Chaleur Automobiles Géométrie GAMBIT générée par fichier journal 35 / 37
Plan 1 2 Synthèse sur les échangeurs de chaleur 3 4 5 36 / 37
Véritable projet de modélisation Mise en pratique de la CFD Intégration sous la forme d un outil Validation sur système complet Bibliothèque depuis les essais Finalisation de l interface Formation des utilisateurs Calcul transitoire Densité énergétique Point de vue système 37 / 37
Véritable projet de modélisation Mise en pratique de la CFD Intégration sous la forme d un outil Validation sur système complet Bibliothèque depuis les essais Finalisation de l interface Formation des utilisateurs Calcul transitoire Densité énergétique Point de vue système 37 / 37
Véritable projet de modélisation Mise en pratique de la CFD Intégration sous la forme d un outil Validation sur système complet Bibliothèque depuis les essais Finalisation de l interface Formation des utilisateurs Calcul transitoire Densité énergétique Point de vue système 37 / 37