Analyses Numériques et Expérimentales du Transfert Thermique dans un Incubateur Néonatal avec un Mannequin Imprimé en 3D

Numerical and Experimental Analyses of the Heat Transfer inside Infant Incubators using 3D Printed Thermal Manikin

• Auteur / Autrice : Aziza Hannouch
• Direction : Thierry Lemenand, Khalil Khoury
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 23/11/2021
• Etablissement(s) : Angers
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : LARIS. Laboratoire Angevin de Recherche en Ingénierie des Systèmes (EA7315)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Angevin de Recherche en Ingénierie des Systèmes / LARIS
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Humeau-Heurtier, Najib Metni, Dominique Della Valle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Bougeard, Pierre Tourneux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Incubateurs (pédiatrie)

Régulateurs PID

Modélisation CFD

Transfert de chaleur

Thermorégulation

Mots clés libres

Simulation CFD

Contrôle PID

Incubateur nouveau-né

Mannequin thermique prématuré

Thermoregulation

Heat transfer

CFD simulations

PID control

Neonatal incubator

Preterm thermal manikin

Résumé

Les nouveau-nés prématurés sont fréquemment nourris dans des incubateurs bébés en raison de la thermorégulation non mûre qui pourra éventuellement conduire à des difficultés à contrôler leur température. Ces incubateurs jouent un rôle crucial dans la survie des nouveau-nés prématurés en fournissant des conditions hygrothermiques contrôlées. Une meilleure compréhension du transfert de chaleur complexe et du champ de l'écoulement à l'intérieur de ces systèmes est fondamentale pour améliorer leurs performances. Dans la présente thèse, des simulation numérique CFD et des techniques expérimentales sont utilisées pour étudier le transfert de chaleur et les champs de l'écoulement à l'intérieur d'un incubateur équipé d'un mannequin thermique prématuré imprimé en 3D.Dans une première partie, un état de l'art détaillé est réalisé d’un point de vue de l'ingénierie pour discuter sur les progrès et les points manquants dans ce domaine.Dans la deuxième partie, des simulations CFD sont effectuées pour évaluer les coefficients de transfert de chaleur radiatif et convectif pour chaque segment du corps des nouveau-nés prématurés. Ces coefficients sont importants pour développer des modèles de thermorégulation robustes et précis.Dans la troisième partie, un mannequin thermique imprimé en 3D est construit avec un contrôle PID et testé pour différents scénarios à l'intérieur d'un incubateur. Le nouveau design du mannequin thermique est promettant.

Preterm neonates are frequently nursed inside infant incubators due to unmature thermoregulation leading to difficulty in controlling their body temperature. These incubators play a crucial role in the survival and growth of preterm neonates by providing controlled hygrothermal conditions and by monitoring the infant temperature and vital signs. The better understanding of the complex heat transfer and flow pattern inside these systems is fundamental for enhancing their performances. In the present thesis, advanced computational fluid dynamics (CFD) and experimental techniques are performed to study the heat transfer processes and analyze the flow patternsinside an infant incubator equipped with a 3D printed preterm thermal manikin. In the first part, a detailed state of the art is performed from an engineering point of view to shed light on the progress and lacking points in this domain. In the second part, CFD simulations are carried to evaluate the radiative and convective heat transfer coefficients for each body segment of the preterm neonates. These coefficients are important to developing robust and accurate thermoregulation models. In the third part, a 3D printed thermal manikin is built with PID control and tested for different scenarios inside an incubator. The new design of thermal manikin shows excellent promises