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Roch EL KHOURY

Développement et validation de méthodes de couplage dans la modélisation des systèmes thermiques

Titre anglais : Development and validation of coupling methods for the modelling of thermal systems
Date de soutenance : 21/12/15
Directeur de thèse : Didier MAYER

Mots clés en français : Couplage multiphysique,Simulation thermique,Mécanique des fluides CFD,
Mots clés en anglais : Multi-physics couling,Thermal simulaiton,Fluids CFD,

Résumé de la thèse en français
Ces travaux de thèse portent sur le développement et la validation de méthodes de modélisation multiphysique adaptées à la simulation d'installations thermiques industrielles, dans lesquelles les trois modes de transferts (conduction, rayonnement et écoulements fluides) sont en interactions couplées. L'approche proposée est basée sur une méthodologie hybride de couplage entre trois modèles différents. Le solveur radiatif effectue un pré-calcul sur la géométrie surfacique 3D et fournit les conductances au solveur thermique. L'équation de la conservation de la chaleur est alors résolue au sein du système discrétisé en composants thermiques via l'approche CIN (Component Interaction Network). Les écoulements fluides sont traités par un logiciel de simulation CFD (Computational Fluid Dynamics). Différents schémas de couplage à l'interface entre le solveur thermique et le solveur CFD sont étudiés et comparés en régime stationnaire pour un modèle 3D de four simplifié. Dans certaines conditions, la réponse transitoire de l'écoulement fluide peut être considérée instantanée comparée à la réponse thermique du solide, en raison de grandes différences entre les échelles de temps caractéristiques. La simulation thermique dynamique peut alors être couplée à des simulations CFD stationnaires pour plusieurs intervalles de temps, via un algorithme de couplage pseudo-transitoire. Par ailleurs, une nouvelle méthode de couplage entre la simulation thermique dynamique et la CFD stationnaire est proposée. Elle consiste à réduire et intégrer les résultats CFD stationnaires au modèle thermique instationnaire, sous forme d'un modèle multizonal hybride 3D, diminuant ainsi le nombre de mises-à-jour d'écoulement nécessaires pour cette simulation. Cette approche de modélisation thermique multiphysique est utilisée pour simuler deux applications industrielles de traitement thermique : tout d'abord le cycle de refroidissement d'un four de brasage d'échangeur pour les applications cryogéniques, puis le cycle de chauffe d'un four de formage de pare-brise pour l'industrie automobile. Les comparaisons entre les résultats numériques et les mesures expérimentales effectuées in-situ démontrent la capacité de l'approche de modélisation développée à prédire les profils de montée en température ainsi que les consommations énergétiques des installations, avec des temps de calcul raisonnables sur des stations de travail classiques.

Résumé de la thèse en anglais
This work focuses on the development and validation of multiphysical modelling methods suitable for the simulation of industrial thermal installations, in which the three heat transfer modes (conduction, radiation and fluid flow) interact in a coupled manner. The proposed approach is based on a hybrid coupling methodology between three different solvers. The radiative solver pre-processes the 3D surface geometry and provides the conductances of radiation exchanges to the thermal solver. The heat conservation equation is solved over the studied system which is discretized into thermal components via the CIN (Component Interaction Network). Fluid flow is treated using 3D CFD simulations (Computational Fluid Dynamics). Different interface coupling schemes, between the thermal solver and the CFD solver, are studied and compared in steady state in the case of a 3D model of a simplified furnace. Under certain conditions, the transient fluid response may be considered instantaneous compared to the thermal response of the solid, due to large discrepancies between physical characteristic time scales. The transient thermal simulation can thus be coupled to steady state CFD at several time intervals, via a pseudo-transient time coupling algorithm. Furthermore, a new spatial coupling method between dynamic thermal simulation and steady state CFD is introduced. It consists in reducing and integrating steady state CFD results in the dynamic thermal model, as a hybrid multizonal 3D fluid model, in order to decrease the number of necessary flow updates during the thermal simulation. This multiphysical thermal modelling approach is used to simulate two industrial heat treatment applications. First the cooling cycle of a cryogenic heat exchanger brazing furnace, then the heating cycle of a windshield bending furnace for the automotive industry are addressed. Comparisons between the numerical results and the in-situ experimental measurements show that the developed modelling approach is capable of predicting the transient temperature distributions and the energy consumption of the installations, with reasonable computational times on regular workstations.

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