Modélisation Topologique d'un distributeur d'échangeurs diphasique à haute efficacité

par Wassim Abdel nour

Projet de thèse en Mathématiques numériques, Calcul intensif et Données

Sous la direction de Elie Hachem, Aurélien Larcher et de Philippe Meliga.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées , en partenariat avec Centre de Mise en Forme des Matériaux (laboratoire) et de MINES ParisTech (établissement opérateur d'inscription) depuis le 12-10-2020 .


  • Résumé

    Les échangeurs de chaleurs sont la pierre angulaire de nombreux systèmes énergétiques et industrielles. Leur performance et leur masse ont un impact direct sur celles du système global. Ces éléments peuvent être classés selon leur géométrie ou la nature des écoulements des fluides les traversant : monophasique (liquide-liquide, liquide-gaz ou gaz gaz) ou multiphasique (condensation ou évaporation). Pour cette raison, de nombreuses études ont comme objectif d'améliorer leur efficacité et/ou de réduire leur masse et leur taille. En effet, ces recherches visent à augmenter les échanges thermiques et réduire simultanément les pertes de charge des fluides. Ce but ne peut être atteint que par l'optimisation de l'écoulement des fluides au coeur de l'échangeur via une optimisation de la géométrie des parois et des structures d'intensification, mais également par l'optimisation de la distribution des fluides dans ces canaux. Ces deux points constituent le cadre d'un des projets de recherche porté depuis plusieurs années par TEMISTH. D'autre part, l'utilisation des gaz à faible impact pour la couche d'ozone (faible Global Warming Potential - GWP) sont en plein essor dans différents secteurs incluant l'aéronautique. En revanche cette substitution impose la construction de nouveaux standards pour la fabrication des systèmes thermiques comme les échangeurs de chaleur. En effet, les bases de données et les corrélations existantes se reposent dans la majorité des cas sur l'utilisation des gaz à haut GWP. C'est dans ce contexte que le projet européen PANTTHER se positionne. Il cherche à développer une nouvelle méthodologie de conception et d'optimisation d'échangeurs de chaleur diphasique utilisant les fluides à faible GWP. Le projet se divise en deux grandes parties que se déroulent en parallèles : _Etude expérimentale et numérique de l'écoulement multiphasique au coeur de l'échangeur. _L'optimisation topologique du distributeur des fluides. Cette thèse s'intéresse au deuxième point qui se déroule en collaboration avec le laboratoire du CEMEF des Mines portant sur les étapes suivantes : Développement d'une modélisation haute-fidélité consacrée à l'optimisation topologique à l'intérieur d'un distributeur de fluide Calcul numérique des phénomènes physique agissant sur l'écoulement du fluide à l'intérieur du distributeur Coordination du distributeur développé avec le coeur de l'échangeur thermique (Travail se déroulant dans une autre thèse menée en parallèle) afin de répondre aux exigences requises. Validation de la méthodologie de la chaîne d'optimisation complète, en associant des méthodes d'apprentissages profonds pour assister le contrôle et ainsi augmenter sa performance.

  • Titre traduit

    Topological Optimization of a multi-phase heat exchanger's distributor with high efficiency.


  • Résumé

    Heat exchangers are the cornerstone of many energy and industrial systems. Their performance and mass have a direct impact on those of the overall system. These elements can be classified according to their geometry or the nature of the flow of fluids passing through them: single-phase (liquid-liquid, liquid-gas or gas-gas) or multiphase (condensation or evaporation). For this reason, many studies aim to improve their effectiveness and / or reduce their mass and size. Indeed, this research aims to increase heat exchange and simultaneously reduce the pressure drops of fluids. This goal can only be achieved by optimizing the flow of fluids in the heart of the exchanger via an optimization of the geometry of the walls and of the intensification structures, but also by the optimization of the distribution of fluids in these channels. These two points constitute the framework of one of the research projects carried out for several years by TEMISTH. On the other hand, the use of gases with low impact for the ozone layer (low Global Warming Potential - GWP) are booming in various sectors including aeronautics. However, this substitution requires the construction of new standards for the manufacture of thermal systems such as heat exchangers. In fact, the existing databases and correlations are based in the majority of cases on the use of high GWP gases. It is in this context that the European PANTTHER project is positioned. He seeks to develop a new methodology for the design and optimization of two-phase heat exchangers using low GWP fluids. The project is divided into two main parts that take place in parallel: _Experimental and numerical study of the multiphase flow in the heart of the exchanger. _Topological optimization of the fluid distributor. This thesis focuses on the second point, which takes place in collaboration with the CEMEF des Mines laboratory, focusing on the following stages: Development of high-fidelity modeling dedicated to topological optimization inside a fluid dispenser. Numerical calculation of the physical phenomena acting on the flow of the fluid inside the distributor Coordination of the distributor developed with the heart of the heat exchanger (Work taking place in another thesis carried out in parallel) in order to meet the required requirements. Validation of the methodology of the complete optimization chain, associating deep learning methods to assist control and thus increase its performance.