Amélioration des simulations thermiques dans les systèmes d'éclairage automobiles

Improvement of the accuracy of thermal simulations in automotive lighting systems

• Auteur / Autrice : Myriam Dauphin
• Direction : Fabrice Schmidt, Yannick Le Maoult
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 10/04/2014
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Bernard Baudoin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Schmidt, Yannick Le Maoult, Bernard Baudoin, Dominique Baillis, Denis Maillet, Stéphane Colin, Thierry Desoyer, Mouna El Hafi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Baillis, Denis Maillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Monte-Carlo, Méthode de

Chauffage par rayonnement infrarouge

Automobiles -- Éclairage

Mots clés libres

Système éclairage automobile

Transfert thermique

Chauffage Infrarouge

Méthode Monte Carlo

Tracé rayon

Propriété matériau

Automotive lighting system

Heat transfer

Infrared radiation heating

Monte Carlo method

Ray tracing

Materials properties

Résumé

Les systèmes d'éclairage automobiles sont conçus pour éclairer la route de manière optimale. Une dégradation des optiques et des matériaux plastiques peut altérer la qualité du faisceau lumineux. En phase de conception, les simulations thermiques visent à minimiser les coûts engendrés par les tests expérimentaux réalisés sur des maquettes. Avec le développement de nouvelles optiques, la méthode numérique des ordonnées discrètes, utilisée pour le calcul des transferts radiatifs, souffre d'un manque de précision en raison d'une discrétisation spatiale limitée pour les réflexions spéculaires. Une augmentation de la discrétisation pourrait mener à des temps de calculs importants. Pour palier à ce problème, la méthode de Monte Carlo a été choisie afin d'évaluer les densités de flux aux parois dans le cas des surfaces opaques, ou un terme source radiatif dans le cas des matériaux semi-Transparents. Notre algorithme est implémenté dans l'environnement de développement EDStar. Cet environnement inclut la bibliothèque de synthèses d'images PBRT permettant de reproduire les trajets optiques dans une géométrie 3D complexe. L'étude porte sur des produits d'éclairage composés de lampes, ainsi le développement d'un modèle numérique fiable requiert des paramètres pertinents en entrée de modèle. Les travaux ont donc été scindés en trois axes d'études. Le premier inclut une phase de caractérisation des propriétés thermiques d'une lampe à incandescence (25W). Différentes méthodes de mesures ont été étudiées pour déterminer la température du filament, moteur des transferts thermiques, et la température de l'enveloppe. Le second axe consiste à développer un modèle des transferts radiatifs dans le système d'éclairage. L'objectif est de localiser les zones de concentration du rayonnement et estimer leur étendue. Enfin, le troisième axe vise à coupler le calcul radiatif à des simulations thermiques dans l'outil de CFD Fluent. La CFD (Computational Fluid Dynamics) est ici nécessaire pour résoudre les problèmes convectifs couplés aux autres transferts thermiques dans un produit industriel.

Automotive lighting systems are designed to illuminate the road optimally. Degradation of optical properties or plastics materials may altering the quality of lighting. In the design stage, thermal simulations are intended to minimize the costs of experimental tests performed on prototypes. With the apparition of new headlights optics, the Discrete Ordinates method (DO) is not suitable in certain cases due to a lack of accuracy when dealing with specular reflections and refractions. A raise of the spatial discretization could lead to significant time computation. To overcome this problem, we chose the Monte Carlo method in order to estimate flux densities to the walls in the case of opaque surfaces, or to estimate a radiative source term in the case of semi-Transparent media. Our algorithm is implemented in EDStar coding environment. This environment includes the PBRT synthesis images library allowing the use of raytracing techniques with our algorithm, thus reproducing optical paths of rays in a complex 3D geometry. The development of a reliable numerical model requires relevant parameters in input. This need led us to split the work into three main parts. The first axis includes a characterization phase of thermal properties of an incandescent lamp (25W) in order to model its radiative emission. Different measurements methods have been investigated to determine the temperature of the filament, which is the origine of heat transfers, and the temperature of the glass envelope. The second axis consists in obtaining a precise distribution of flux density distributions in order to locate hot spots and assess their extent. Finally, the third part of study is to couple the radiative calculation to CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations. CFD is here necessary to solve problems with convective phenomena coupled with other heat transfers in an industrial product.