Simulation aux grandes échelles des transferts thermiques dans les échangeurs de chaleur en fabrication additive

Dans l'ingénierie aéronautique et aérospatiale, les échangeurs de chaleur jouent un rôle fondamental. Les progrès récents dans le domaine de la fabrication additive sont une grande opportunité d'innovation pour les échangeurs de chaleur compacts afin d'atteindre de nouvelles performances. La perte de pression et les performances de transfert de chaleur sont les deux principales caractéristiques à optimiser pour assurer l'efficacité de l'échangeur de chaleur. Cependant, la rugosité importante introduite par la fabrication additive a un impact considérable sur ces performances. En outre, il existe toujours un fossé entre les structures optimisées par le calcul et la réalité industrielle en raison du manque de connaissances fondamentales sur les nouvelles structures de fabrication additive. Par conséquent, les modèles de paroi actuellement utilisés dans les simulations tridimensionnelles stables et instables de mécanique des fluides ne tiennent pas compte de la rugosité typique induite par la fabrication additive. Le projet H2020 CleanSky2 STREAM était consacré à l'amélioration des performances de la nouvelle génération d'échangeurs de chaleur, en tirant parti de la fabrication additive, des simulations haute-fidélité et de l'optimisation topologique. Dans le cadre de ce projet, l'objectif de ce doctorat était de générer une grande base de données haute-fidélité de simulations à grande échelle à rugosité résolue (RRLES) avec la plateforme de CFD YALES2. Cette base de données était destinée au développement et à l'évaluation de nouveaux modèles de parois en collaboration avec le laboratoire LEGI. Pour atteindre cet objectif, trois étapes ont été nécessaires au préalable. La première réalisation de cette thèse a été le développement d'un générateur de surfaces rugueuses. Cet outil est capable de générer de multiples surfaces rugueuses imitant celles rencontrées dans la fabrication additive. Parmi les géométries disponibles avec ce générateur, il y a des plans parallèles, des canaux carrés et cylindriques, et des configurations plus industrielles comme des plaques avec des ailettes tubulaires. Les cas d'essai ont mis en évidence de bonnes performances en termes de précision et de temps de calcul. La deuxième étape a consisté à obtenir des maillages ajustés aux parois. Un générateur de maillage à résolution de rugosité développé au laboratoire CORIA permet de fournir automatiquement un grand nombre de maillages non structurés ajustés aux parois avec un contrôle de la distribution de la taille des cellules du maillage final. La configuration numérique et la méthodologie pour les RRLES ont été établies et validées. À cette fin, une méthode de recyclage a été développée. Le principe de cette dernière est d'interpoler la vitesse sur un plan éloigné dans le domaine de calcul et d'imposer cette vitesse à l'entrée. Cette méthode permet de réaliser des écoulements périodiques dans les canaux. En outre, un flux de travail entièrement automatisé avec post-traitements intégrés a été mis en place et a permis d'exécuter de nombreuses simulations sur des superordinateurs distants. Parmi les cas de la base de données, trois configurations ont été particulièrement étudiées afin de mettre en évidence l'impact de la direction d'impression de la fabrication additive sur la topologie de l'écoulement, les profils de vitesse et de température. Des simulations RRLES ont également été menées pour des canaux carrés et cylindriques, ainsi que pour des applications de type industriel telles que des plaques avec des ailettes tubulaires. Enfin, la base de données a été analysée et quelques lois de paroi pour la rugosité ont été proposées. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont aidé à mieux comprendre l'impact de la rugosité induite par la fabrication additive. Cela a permis de proposer des stratégies de modélisation aux partenaires industriels du projet STREAM et cela ouvre la voie à de nouveaux échangeurs de chaleur efficaces.