{"id":21037,"date":"2024-08-19T10:00:31","date_gmt":"2024-08-19T08:00:31","guid":{"rendered":"https:\/\/greth.fr\/?p=21037"},"modified":"2025-10-27T17:16:22","modified_gmt":"2025-10-27T16:16:22","slug":"simulation-aux-grandes-echelles-des-transferts-thermiques-dans-les-echangeurs-de-chaleur-en-fabrication-additive","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/greth.fr\/en\/simulation-aux-grandes-echelles-des-transferts-thermiques-dans-les-echangeurs-de-chaleur-en-fabrication-additive\/","title":{"rendered":"Simulation aux grandes \u00e9chelles des transferts thermiques dans les \u00e9changeurs de chaleur en fabrication additive"},"content":{"rendered":"<strong><span style=\"text-decoration: underline;\">Summary :<\/span><\/strong><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">In aeronautical and aerospace engineering, heat exchangers have a fundamental role. Recent progress in additive manufacturing is a great opportunity for innovation aiming at compact heat exchangers to reach new performances. Pressure loss and heat transfer performances are the two main characteristics to be optimized for heat exchanger efficiency. However, the significant roughness introduced by additive manufacturing strongly impacts these performances. In addition, a gap still exists between the computationally optimized structures and the industrial reality due to the lack of fundamental knowledge of the new additive manufacturing structures. Consequently, current wall models used in steady and unsteady three-dimensional Navier-Stokes simulations do not take into account typical roughness induced by additive manufacturing. The H2020 CleanSky2 STREAM project was dedicated to the performance improvement of the new generation of heat exchangers, taking advantage of additive manufacturing, topological optimization, and high-fidelity simulations. Within this project, this PhD's aim was to generate a large high-fidelity database of roughness-resolved Large-Eddy Simulations (RRLES) with the YALES2 CFD platform. This database was for the development and assessment of novel wall models in collaboration with the LEGI laboratory. To reach this aim, three steps were necessary beforehand. The first achievement done during this PhD was the development of a rough surfaces generator. This tool is able to generate multiple rough surfaces mimicking those encountered in additive manufacturing. Among available geometries with this generator, there are parallel planes, square and cylindrical channels, and more industrial configurations like plates with tube fins. Test cases have highlighted good performances for accuracy and computational time. Obtaining body-fitted meshes was the second step. A roughness-resolved mesh generator, developed at the CORIA laboratory, enables to provide automatically a large number of body-fitted unstructured meshes with control of the cell size distribution of the final mesh. The numerical setup and the methodology for RRLES have been set and validated. For this purpose, a recycling method has been developed. The latter's principle is to interpolate velocity at a distant plane in the computational domain and to impose this velocity at the inlet. This method allows to perform periodic channel flow. In addition, a fully automated workflow with integrated post-processing has been built and has enabled to run numerous simulations on a remote supercomputer. Among the database's cases, three configurations have been particularly studied in order to highlight the impact of additive manufacturing printing direction on the flow topology, velocity and temperature profiles. RRLES simulations have also been conducted for square and cylindrical channels, and for industrial-like applications like plates with tube fins. Finally, the database has been analyzed and some rough wall laws have been derived. The work done during this PhD has led to a better understanding of the impact of roughness induced by additive manufacturing. This led to propose modeling strategies for the industrial partners of the STREAM project and paves the way for new efficient heat exchangers.<\/p>\n<table border=\"1\" width=\"100%\">\n<tbody>\n<tr>\n<td><strong>Author<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Serge MEYNET<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><strong>Date of presentation<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>2023, june 26th<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><strong>Keywords<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Additive manufacturing, CFD Computational Fluid Dynamics, Heat exchangers, Large-Eddy Simulations, Roughness<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n\n\n\n<div class=\"eds-animate edsanimate-sis-hidden\" data-eds-entry-animation=\"bounceIn\" data-eds-entry-delay=\"0\" data-eds-entry-duration=\"1\" data-eds-entry-timing=\"linear\" data-eds-exit-animation=\"\" data-eds-exit-delay=\"\" data-eds-exit-duration=\"\" data-eds-exit-timing=\"\" data-eds-repeat-count=\"1\" data-eds-keep=\"yes\" data-eds-animate-on=\"load\" data-eds-scroll-offset=\"\">\n\t\t<div class=\"box info\">\n\t\t\t<div class=\"box-inner-block\">\n\t\t\t\t<span class=\"fa tie-shortcode-boxicon\"><\/span>\n<p style=\"text-align: justify;\"><strong>&#x2666; The full version is only available for subscribers <a style=\"text-decoration: none;\" href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><span style=\"background-color: #3db2ea; color: #fff;\">\"ESSENTIEL\"<\/span><\/a> or <a style=\"text-decoration: none;\" href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><span style=\"background-color: #c6002c; color: #fff;\">\"PREMIUM\"<\/span><\/a> of GRETh!<\/strong><\/p>\n<p>&#x2666; If you are already a member \/ subscriber, you must identify yourself by <a href=\"\/wp-login.php\"><strong>clicking here<\/strong><\/a>.<br \/>\n&#x2666; If you are not a member, you can consult the offer proposed by GRETh by <a href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><strong>clicking here<\/strong><\/a> as well as the conditions of membership by <a href=\"\/en\/conditions-adhesion\/\"><strong>clicking here<\/strong><\/a>.\n\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>R\u00e9sum\u00e9 : Dans l&#8217;ing\u00e9nierie a\u00e9ronautique et a\u00e9rospatiale, les \u00e9changeurs de chaleur jouent un r\u00f4le fondamental. Les progr\u00e8s r\u00e9cents dans le domaine de la fabrication additive sont une grande opportunit\u00e9 d&#8217;innovation pour les \u00e9changeurs de chaleur compacts afin d&#8217;atteindre de nouvelles performances. La perte de pression et les performances de transfert de chaleur sont les deux principales caract\u00e9ristiques \u00e0 optimiser pour assurer l&#8217;efficacit\u00e9 de l&#8217;\u00e9changeur de chaleur. Cependant, la rugosit\u00e9 importante introduite par la fabrication additive a un impact consid\u00e9rable sur ces performances. En outre, il existe toujours un foss\u00e9 entre les structures optimis\u00e9es par le calcul et la r\u00e9alit\u00e9 industrielle en raison du manque de connaissances fondamentales sur les nouvelles structures de fabrication additive. Par cons\u00e9quent, les mod\u00e8les de paroi actuellement utilis\u00e9s dans les simulations tridimensionnelles stables et instables de m\u00e9canique des fluides ne tiennent pas compte de la rugosit\u00e9 typique induite par la fabrication additive. Le projet H2020 CleanSky2 STREAM \u00e9tait consacr\u00e9 \u00e0 l&#8217;am\u00e9lioration des performances de la nouvelle g\u00e9n\u00e9ration d&#8217;\u00e9changeurs de chaleur, en tirant parti de la fabrication additive, des simulations haute-fid\u00e9lit\u00e9 et de l&#8217;optimisation topologique. Dans le cadre de ce projet, l&#8217;objectif de ce doctorat \u00e9tait de g\u00e9n\u00e9rer une grande base de donn\u00e9es haute-fid\u00e9lit\u00e9 de simulations \u00e0 grande \u00e9chelle \u00e0 rugosit\u00e9 r\u00e9solue (RRLES) avec la plateforme de CFD YALES2. Cette base de donn\u00e9es \u00e9tait destin\u00e9e au d\u00e9veloppement et \u00e0 l&#8217;\u00e9valuation de nouveaux mod\u00e8les de parois en collaboration avec le laboratoire LEGI. Pour atteindre cet objectif, trois \u00e9tapes ont \u00e9t\u00e9 n\u00e9cessaires au pr\u00e9alable. La premi\u00e8re r\u00e9alisation de cette th\u00e8se a \u00e9t\u00e9 le d\u00e9veloppement d&#8217;un g\u00e9n\u00e9rateur de surfaces rugueuses. Cet outil est capable de g\u00e9n\u00e9rer de multiples surfaces rugueuses imitant celles rencontr\u00e9es dans la fabrication additive. Parmi les g\u00e9om\u00e9tries disponibles avec ce g\u00e9n\u00e9rateur, il y a des plans parall\u00e8les, des canaux carr\u00e9s et cylindriques, et des configurations plus industrielles comme des plaques avec des ailettes tubulaires. Les cas d&#8217;essai ont mis en \u00e9vidence de bonnes performances en termes de pr\u00e9cision et de temps de calcul. La deuxi\u00e8me \u00e9tape a consist\u00e9 \u00e0 obtenir des maillages ajust\u00e9s aux parois. Un g\u00e9n\u00e9rateur de maillage \u00e0 r\u00e9solution de rugosit\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9 au laboratoire CORIA permet de fournir automatiquement un grand nombre de maillages non structur\u00e9s ajust\u00e9s aux parois avec un contr\u00f4le de la distribution de la taille des cellules du maillage final. La configuration num\u00e9rique et la m\u00e9thodologie pour les RRLES ont \u00e9t\u00e9 \u00e9tablies et valid\u00e9es. \u00c0 cette fin, une m\u00e9thode de recyclage a \u00e9t\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9e. Le principe de cette derni\u00e8re est d&#8217;interpoler la vitesse sur un plan \u00e9loign\u00e9 dans le domaine de calcul et d&#8217;imposer cette vitesse \u00e0 l&#8217;entr\u00e9e. Cette m\u00e9thode permet de r\u00e9aliser des \u00e9coulements p\u00e9riodiques dans les canaux. En outre, un flux de travail enti\u00e8rement automatis\u00e9 avec post-traitements int\u00e9gr\u00e9s a \u00e9t\u00e9 mis en place et a permis d&#8217;ex\u00e9cuter de nombreuses simulations sur des superordinateurs distants. Parmi les cas de la base de donn\u00e9es, trois configurations ont \u00e9t\u00e9 particuli\u00e8rement \u00e9tudi\u00e9es afin de mettre en \u00e9vidence l&#8217;impact de la direction d&#8217;impression de la fabrication additive sur la topologie de l&#8217;\u00e9coulement, les profils de vitesse et de temp\u00e9rature. Des simulations RRLES ont \u00e9galement \u00e9t\u00e9 men\u00e9es pour des canaux carr\u00e9s et cylindriques, ainsi que pour des applications de type industriel telles que des plaques avec des ailettes tubulaires. Enfin, la base de donn\u00e9es a \u00e9t\u00e9 analys\u00e9e et quelques lois de paroi pour la rugosit\u00e9 ont \u00e9t\u00e9 propos\u00e9es. Les travaux r\u00e9alis\u00e9s au cours de cette th\u00e8se ont aid\u00e9 \u00e0 mieux comprendre l&#8217;impact de la rugosit\u00e9 induite par la fabrication additive. Cela a permis de proposer des strat\u00e9gies de mod\u00e9lisation aux partenaires industriels du projet STREAM et cela ouvre la voie \u00e0 de nouveaux \u00e9changeurs de chaleur efficaces.<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":959,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[20,21],"tags":[6847,6848,6438,6849,6850,6567,6851],"class_list":["post-21037","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-documents","category-memoires-theses","tag-additive-manufacturing","tag-cfd-computational-fluid-dynamics","tag-fabrication-additive","tag-heat-exchangers","tag-large-eddy-simulations","tag-mecanique-des-fluides-numerique","tag-roughness"],"yoast_head":"<!-- This site is optimized with the Yoast SEO Premium plugin v23.9 (Yoast SEO v27.3) - https:\/\/yoast.com\/product\/yoast-seo-premium-wordpress\/ -->\n<title>Simulation aux grandes \u00e9chelles des transferts thermiques dans les \u00e9changeurs de chaleur en fabrication additive - GRETh<\/title>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"https:\/\/greth.fr\/en\/simulation-aux-grandes-echelles-des-transferts-thermiques-dans-les-echangeurs-de-chaleur-en-fabrication-additive\/\" \/>\n<meta property=\"og:locale\" content=\"en_US\" \/>\n<meta property=\"og:type\" content=\"article\" \/>\n<meta property=\"og:title\" content=\"Simulation aux grandes \u00e9chelles des transferts thermiques dans les \u00e9changeurs de chaleur en fabrication additive\" \/>\n<meta property=\"og:description\" content=\"R\u00e9sum\u00e9 : Dans l&#039;ing\u00e9nierie a\u00e9ronautique et a\u00e9rospatiale, les \u00e9changeurs de chaleur jouent un r\u00f4le fondamental. 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Les progr\u00e8s r\u00e9cents dans le domaine de la fabrication additive sont une grande opportunit\u00e9 d'innovation pour les \u00e9changeurs de chaleur compacts afin d'atteindre de nouvelles performances. La perte de pression et les performances de transfert de chaleur sont les deux principales caract\u00e9ristiques \u00e0 optimiser pour assurer l'efficacit\u00e9 de l'\u00e9changeur de chaleur. Cependant, la rugosit\u00e9 importante introduite par la fabrication additive a un impact consid\u00e9rable sur ces performances. En outre, il existe toujours un foss\u00e9 entre les structures optimis\u00e9es par le calcul et la r\u00e9alit\u00e9 industrielle en raison du manque de connaissances fondamentales sur les nouvelles structures de fabrication additive. Par cons\u00e9quent, les mod\u00e8les de paroi actuellement utilis\u00e9s dans les simulations tridimensionnelles stables et instables de m\u00e9canique des fluides ne tiennent pas compte de la rugosit\u00e9 typique induite par la fabrication additive. Le projet H2020 CleanSky2 STREAM \u00e9tait consacr\u00e9 \u00e0 l'am\u00e9lioration des performances de la nouvelle g\u00e9n\u00e9ration d'\u00e9changeurs de chaleur, en tirant parti de la fabrication additive, des simulations haute-fid\u00e9lit\u00e9 et de l'optimisation topologique. Dans le cadre de ce projet, l'objectif de ce doctorat \u00e9tait de g\u00e9n\u00e9rer une grande base de donn\u00e9es haute-fid\u00e9lit\u00e9 de simulations \u00e0 grande \u00e9chelle \u00e0 rugosit\u00e9 r\u00e9solue (RRLES) avec la plateforme de CFD YALES2. Cette base de donn\u00e9es \u00e9tait destin\u00e9e au d\u00e9veloppement et \u00e0 l'\u00e9valuation de nouveaux mod\u00e8les de parois en collaboration avec le laboratoire LEGI. Pour atteindre cet objectif, trois \u00e9tapes ont \u00e9t\u00e9 n\u00e9cessaires au pr\u00e9alable. La premi\u00e8re r\u00e9alisation de cette th\u00e8se a \u00e9t\u00e9 le d\u00e9veloppement d'un g\u00e9n\u00e9rateur de surfaces rugueuses. Cet outil est capable de g\u00e9n\u00e9rer de multiples surfaces rugueuses imitant celles rencontr\u00e9es dans la fabrication additive. Parmi les g\u00e9om\u00e9tries disponibles avec ce g\u00e9n\u00e9rateur, il y a des plans parall\u00e8les, des canaux carr\u00e9s et cylindriques, et des configurations plus industrielles comme des plaques avec des ailettes tubulaires. Les cas d'essai ont mis en \u00e9vidence de bonnes performances en termes de pr\u00e9cision et de temps de calcul. La deuxi\u00e8me \u00e9tape a consist\u00e9 \u00e0 obtenir des maillages ajust\u00e9s aux parois. Un g\u00e9n\u00e9rateur de maillage \u00e0 r\u00e9solution de rugosit\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9 au laboratoire CORIA permet de fournir automatiquement un grand nombre de maillages non structur\u00e9s ajust\u00e9s aux parois avec un contr\u00f4le de la distribution de la taille des cellules du maillage final. La configuration num\u00e9rique et la m\u00e9thodologie pour les RRLES ont \u00e9t\u00e9 \u00e9tablies et valid\u00e9es. \u00c0 cette fin, une m\u00e9thode de recyclage a \u00e9t\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9e. Le principe de cette derni\u00e8re est d'interpoler la vitesse sur un plan \u00e9loign\u00e9 dans le domaine de calcul et d'imposer cette vitesse \u00e0 l'entr\u00e9e. Cette m\u00e9thode permet de r\u00e9aliser des \u00e9coulements p\u00e9riodiques dans les canaux. En outre, un flux de travail enti\u00e8rement automatis\u00e9 avec post-traitements int\u00e9gr\u00e9s a \u00e9t\u00e9 mis en place et a permis d'ex\u00e9cuter de nombreuses simulations sur des superordinateurs distants. Parmi les cas de la base de donn\u00e9es, trois configurations ont \u00e9t\u00e9 particuli\u00e8rement \u00e9tudi\u00e9es afin de mettre en \u00e9vidence l'impact de la direction d'impression de la fabrication additive sur la topologie de l'\u00e9coulement, les profils de vitesse et de temp\u00e9rature. Des simulations RRLES ont \u00e9galement \u00e9t\u00e9 men\u00e9es pour des canaux carr\u00e9s et cylindriques, ainsi que pour des applications de type industriel telles que des plaques avec des ailettes tubulaires. Enfin, la base de donn\u00e9es a \u00e9t\u00e9 analys\u00e9e et quelques lois de paroi pour la rugosit\u00e9 ont \u00e9t\u00e9 propos\u00e9es. Les travaux r\u00e9alis\u00e9s au cours de cette th\u00e8se ont aid\u00e9 \u00e0 mieux comprendre l'impact de la rugosit\u00e9 induite par la fabrication additive. 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