Étude numérique et expérimentale du refroidissement des convertisseurs auxiliaires de puissance dans les trains par convection naturelle, film liquide et caloduc

Numerical and experimental study of cooling of the auxiliary converters in trains by natural convection, liquid film and heat pipe

• Auteur / Autrice : Saâd Zouitene
• Direction : Souad Harmand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Énergétique, matériaux.
• Date : Soutenance le 06/06/2014
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermique, écoulement, mécanique, matériaux, mise en forme, production (Valenciennes, Nord ; 2010-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Keirsbulck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Souad Harmand, Sadok Ben Jabrallah, Didier Saury, Adel Mustafa Benselama, Tewfik Benazzouz, Felice Cardarelli
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sadok Ben Jabrallah, Didier Saury

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Caloducs

Chaleur -- Convection

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Transfert thermique

Mécanique des fluides

Simulation aérothermique bidimensionnelle

Transfert de chaleur et de masse

Méthode inverse

Convection naturelle

Évaporation

Caloduc

Heat transfer

Fluid mechanics

Natural convect

Heat pipe

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude et l’optimisation du refroidissement des convertisseurs électriques de puissance (CVS) utilisés dans les trains. Ces composants de grandes dimensions sont lourds, bruyants, et représentent un gouffre énergétique à cause de leur système de refroidissement composé de ventilateur. Nous analysons d’autres types de refroidissements économiques et efficaces. Nous étudions numériquement sous Comsol Multiphysics le refroidissement des CVS par convection naturelle en utilisant l’effet cheminée et par film liquide en exploitant le changement de phase pour évacuer le maximum de chaleur. Les résultats numériques sont validés avec les résultats issus de la littérature et ceux obtenus expérimentalement grâce à un dispositif réalisé pour cette étude. Les résultats obtenus ont permis de constater que la convection naturelle n’est pas suffisante pour évacuer la chaleur et que le refroidissement par film liquide représente une solution très efficace. Nous avons aussi étudié expérimentalement l’efficacité du refroidissement par caloducs. L’influence de la répartition de la chaleur a aussi été analysée pour optimiser l’emplacement des composants électroniques dans le CVS. Une comparaison générale de tous les résultats a permis de proposer le système le plus optimiser en fonction des paramètres choisis.

This thesis is about a study and optimization of the cooling electric power converters (CVS) used in trains. These components are heavy, noisy, and are not energetically efficient. We analyze other types of economic and efficient cooling. We used Comsol Multiphysics to study numerically CVS cooling by natural convection using the chimney effect and liquid film by exploiting the phase change to evacuate heat. The numerical results are validated with the results from literature and those obtained experimentally. The results have shown that natural convection is not sufficient to evacuate the heat and the cooling by liquid film represents an interesting solution. We also studied experimentally the effect of the heat pipe cooling. The influence of the heat distribution was also analyzed to optimize the location of the electronic components in the CVS. A general comparison of all results was proposed to optimize the cooling system.