Optimisation de forme numérique de problèmes multiphysiques et multiéchelles : application aux échangeurs de chaleur

Shape optimization of multi-scales and multi-physics problems : application to heat exchangers

• Auteur / Autrice : Franck Mastrippolito
• Direction : Stéphane Aubert, Frédéric Ducros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et énergétique
• Date : Soutenance le 14/12/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Corre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Aubert, Frédéric Ducros, Céline Helbert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Bellettre, Régis Duvigneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échangeurs de chaleur

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Échangeur de chaleur

Mécanique des fluides numérique - CFD

Optimisation multiobjectif

Krigeage

Stratégie d'enrichissement

Self-Organizing Maps

Heat exchanger

Computational fluid dynamics - CFD

Multi-objective optimization

Kriging

Adaptive sampling

Self-Organizing Maps

Résumé

Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels. L'optimisation de leurs performances est donc de première importance pour réduire la consommation énergétique. Le comportement d'un échangeur est intrinsèquement multiéchelle : l'échelle locale de l'intensification des phénomènes de transfert thermique côtoie une échelle plus globale où interviennent des phénomènes de distribution de débit. Un échangeur de chaleur est également le siège de différents phénomènes physiques, tels que la mécanique des fluides, la thermique et l'encrassement. Les présents travaux proposent une méthode d'optimisation multiobjectif de la forme des échangeurs, robuste, pouvant traiter les aspects multiéchelles et multiphysiques et applicable dans un contexte industriel. Les performances de l'échangeur sont évaluées par des simulations de mécanique des fluides numérique (CFD) et par des méthodes globales (є-NUT). Suite à une étude bibliographique, une méthode de métamodélisation par krigeage associée à un algorithme génétique ont été retenus. Des méthodes de visualisation adaptées (clustering et Self-Organizing Maps) sont utilisées pour analyser les résultats. Le métamodèle permet d'approcher la réponse d'un simulateur (CFD) et d'en fournir une prédiction dont l'interrogation est peu onéreuse. Le krigeage permet de prendre en compte une discontinuité et des perturbations de la réponse du simulateur par l'ajout d'un effet de pépite. Il permet également l'utilisation de stratégies d'enrichissement construisant des approximations précises à moindre coût. Cette méthode est appliquée à différentes configurations représentatives du comportement de l'échangeur, permettant de s'assurer de sa robustesse lorsque le simulateur change, lorsque l'aspect multiéchelle est pris en compte ou lorsque une physique d'encrassement est considérée. Il a été établi que l'étape de métamodélisation assure la robustesse de la méthode et l'intégration de l'aspect multiéchelle. Elle permet aussi de construire des corrélations à l'échelle locale qui sont ensuite utilisées pour déterminer les performances globales de l'échangeur. Dans un contexte industriel, les méthodes d'analyse permettent de mettre en évidence un nombre fini de formes réalisant un compromis des fonctions objectif antagonistes.

Heat exchangers are used in many industrial applications. Optimizing their performances is a key point to improve energy efficiency. Heat exchanger behaviour is a multi-scale issue where local scale enhancement mechanisms coexist with global scale distribution ones. It is also multi-physics such as fluid mecanics, heat transfer and fouling phenomenons appear. The present work deals with multi-objective shape optimization of heat echanger. The proposed method is sufficiently robust to address multi-scale and multi-physics issues and allows industrial applications. Heat exchanger performances are evaluated using computational fluid dynamics (CFD) simulations and global methods (є-NUT). The optimization tools are a genetic algorithm coupled with kriging-based metamodelling. Clustering and Self-Organizing Maps (SOM) are used to analyse the optimization results. A metamodel builts an approximation of a simulator response (CFD) whose evaluation cost is reduced to be used with the genetic algorithm. Kriging can address discontinuities or perturbations of the response by introducing a nugget effect. Adaptive sampling is used to built cheap and precise approximation. The present optimization method is applied to different configurations which are representative of the heat exchanger behaviour for both multi-scale and multi-physics (fouling) aspects. Results show that metamodelling is a key point of the method, ensuring the robustness and the versatility of the optimisation process. Also, it allows to built correlations of the local scale used to determine the global performances of the heat exchanger. Clustering and SOM highlight a finite number of shapes, which represent a compromise between antagonist objective functions, directly usable in an industrial context.