Optimisation topologique de systèmes de transferts couplés de chaleur : approche expérimentale et développements numériques

Topology Optimization of Conjugated Heat Transfer Devices : Experimental and Numerical investigation

• Auteur / Autrice : Vignaesh Subramaniam
• Direction : Jean-Luc Harion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 07/12/2018
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMT Lille Douai
• Jury : Président / Présidente : Julien Reveillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chérifa Abid, Lilla Kapa Koloszar, Talib Dbouk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marie Buchlin

Mots clés

Mots clés libres

Optimisation topologique

Conduction

Transferts thermiques conjugués

Echangeurs de chaleur

Convection

Cfd

Topology optimization

Conduction

Conjugate heat transfer

Heat exchangers

Convection

Cfd

Résumé

Concevoir des dispositifs thermiques plus compacts, nécessitant moins de masse de matière, produisant moins de pertes de charge et présentant un rendement thermique accru représente un enjeu clé pour des performances améliorées à un coût moindre. La présente thèse étudie le potentiel et la validité de l’optimisation topologique en tant qu’outil CFD viable permettant de générer des designs thermiques optimaux par rapport aux approches conventionnelles telles que l’optimisation de forme et paramétrique. La première partie de la thèse présente une étude expérimentale de structures bi matériaux arborescentes optimales obtenues par optimisation topologique. Le problème mathématique d’optimisation topologique est formulé et implémenté dans OpenFOAM®. Il est appliqué au problème d’optimisation de la conduction thermique dans une configuration de type volume-vers-point. Des mesures thermiques expérimentales sont effectuées sur les structures optimisées, en utilisant la thermographie infrarouge afin de quantifier leurs performances de transfert de chaleur et ainsi validé les performances des structures optimales déterminées par le code d’optimisation topologique développé. La deuxième partie de la thèse présente une technique bi-objectif innovante d’optimisation topologique des systèmes de transferts de chaleur conjugués (CHT, Conjugate Heat Transfer) en régimes d’écoulement laminaires. Pour cela, le problème est développé mathématiquement et implémenté dans le solveur OpenFOAM® basé sur une méthode directe par volumes finis. La fonction objectif est formulée par la pondération linéaire de deux fonctions objectifs, l’une pour la réduction de la perte de charge et l’autre pour l’augmentation du transfert de chaleur. Ceci représente une cible très difficile du point de vue numérique en raison de la concurrence entre les deux objectifs (minimisation de la perte de charge et maximisation de la puissance thermique récupérable). Des designs non intuitifs, mais optimaux au sens de Pareto, ont été obtenus, analysés, discutés et justifiés à l’aide de diverses méthodes d’analyses numériques globale et locale. De plus, une configuration identique à une optimisation par une méthode Lattice Boltzmann issue de la bibliographie a été optimisée en utilisant le solveur OpenFOAM® développé. L’objectif, en complément de la comparaison des solutions optimales, est également d’initier un cas de référence pour les futures études dans ce domaine de recherche et d’innovation de façon à pouvoir pleinement comparer les solutions optimales obtenues par différences méthodes et différents solveurs. Enfin, les différents points expérimentaux et numériques mis en lumière et illustrés dans cette thèse démontrent l’importance de la méthodologie et potentiel très important de l’optimisation topologique pour la conception de systèmes thermiques industriels plus performants.

Designing thermal devices that are more compact with less mass, less frictional losses and increased thermal efficiency is a key requirement for enhanced performances at a lower cost. The present PhD thesis investigates the potential and validity of topology optimization numerical method as a viable CFD tool to generate optimal thermal designs as compared to conventional approaches like shape and parametric optimization. The first part of the thesis presents an experimental investigation of topology optimized tree-like structures made of two materials. The topolgy optimization mathematical problem is formulated and implemented in OpenFOAM®. It is applied to the topolgy optimization problem of volume-to-point heat removal. Experimental thermal measurements are carried out, on the optimal structures, using infrared thermography in order to quantify their heat transfer performances and thus validate the performances of the optimal structures determined by the developed topology optimization code. The second part of the thesis presents an innovative bi-objective optimization technique for topology optimization of Conjugate Heat Transfer (CHT) systems under laminar flow regimes. For that purpose, an inequality constrained bi-objective topology optimization problem is developed mathematically and implemented inside the Finite Volume based OpenFOAM® solver. The objective function is formulated by linear combination of two objective functions for pressure drop reduction and heat transfer enhancement which is numerically a very challenging task due to a competition between the two objectives (minimization of pressure drop and maximization of recoverable thermal power). Non-intuitive Pareto-optimal designs were obtained, analyzed, discussed and justified with the help of various global and local numerical analysis methods. Additionally, a recent Lattice Boltzmann topology optimization problem form the literature was solved using the developed OpenFOAM® solver. The objective, in addition to the comparison of the optimal solutions, is also to initiate a case of reference for future studies in this field of research and innovation so as to be able to fully compare the optimal solutions obtained by different and different methods. solvers. Finally, the various experimental and numerical findings highlighted and illustrated in this PhD thesis, demonstrate the importance of the methodology and immense potential behind topology optimization method for designing efficient industrial thermal systems.