Modélisation, simulation et fiabilité des matériaux à changement de phase pour l'automobile et l'aéronautique

Modeling, simulation and reliability of phase change materials for automotive and aeronautics

• Auteur / Autrice : Bessem Debich
• Direction : Abdelkhalak El Hami, Lassâad Walha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 02/07/2021
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1993-....) - Laboratoire de recherche de Mécanique, Modélisation et Production (Sfax, Tunisie)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdelghani Saouab
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkhalak El Hami, Lassâad Walha, Mohamed Ichchou, Charfeddine Mrad, Mohamed Haddar, Molka Hili Attia
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mohamed Ichchou, Charfeddine Mrad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Fiabilité

Optimisation des structures

Transfert de chaleur

Refroidissement

Composants électroniques

Matériaux

Transitions de phases

Mots clés libres

Matériaux à changement de phase

Gestion thermique

Modèle de substitution

RBDO

MORBDO-RHM

Analyse par éléments finis

Phase change material

Thermal management

Surrogate model

RBDO

MORBDORHM

Finite element analysis

Résumé

L'augmentation de la densité de puissance des composants électroniques nécessite une gestion thermique plus efficace. La thermique devient même la préoccupation majeure des concepteurs pour le dimensionnement de ces composants. Les dissipateurs thermiques à base de matériaux à changement de phase (MCP) sont largement utilisés dans plusieurs applications industrielles telles que dans le domaine de la mécatronique. Ces techniques de refroidissement passif permettent une meilleure gestion thermique des composants électroniques. Ces dernières décennies, les chercheurs visent à trouver une conception optimale de ces systèmes pour améliorer leurs performances. Néanmoins, les incertitudes n'ont pas été prises en compte pour la majorité de ces études. L'objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle technique qui permet de modéliser et optimiser les systèmes de refroidissement à base de matériau à changement de phase, avec prise en compte des incertitudes. Malgré la satisfaction de la solution optimale obtenue par l'optimisation déterministe (DDO), le niveau de fiabilité n'est pas contrôlé. Pour cette raison, des études d'optimisation fiabiliste (RBDO) ont été développées. En effet, les approches RBDO visent à trouver une conception fiable avec un coût optimal en considérant les incertitudes du modèle étudié. Les méthodes RBDO classiques ont été appliquées uniquement dans des problèmes linéaires ou dans des problèmes non-linéaires spécifiques. Cette étude présente une extension de ces méthodes dans le cas en considérant la non linéarité dû au changement d'état physique de MCP. La dernière partie de cette thèse consiste à étudier un problème d'optimisation fiabiliste multiobjectif des systèmes de refroidissement à base de MCP. Pour remédier à la complexité de ces systèmes avec la prise en compte des paramètres incertains, les méthodologies de métamodélisation ont été utilisées, ce qui nous a permis la construction d'un modèle de substitution, qui assure en même temps la précision et l'efficacité du modèle. Cette étude permet de proposer une nouvelle approche appelée MORBDO-RHM qui consiste à combiner la méthode hybride robuste (RHM) avec l'algorithme génétique de tri non dominé (C-NSGA-II). L'efficacité de l'approche proposée est vérifiée par la suite pour les unités de stockage thermique à base de MCP.

Increasing the power density of electronic components requires more efficient thermal management. Thermal problems are even becoming the major concern of designers for the conception these components. Phase Change Material (PCM) based heat sinks are widely used in several industrial applications particularly in mechatronics field. These passive cooling techniques allow better thermal management of electronic components. Recently, researchers aim to find an optimaldesign of these systems in order to improve their efficiency. However, uncertainties are not considered for the majority of these studies. This study aims to propose a new methodology that leads to proposing an optimal model of a PCM-based cooling systems considering uncertainties. The Deterministic Design Optimization approach (DDO) provides an optimal design, but its relibility level is not respected. To this end, Reliability-Based Design Optimization (RBDO) techniques are then required. These approaches aim to find a reliable design with an optimal cost by considering uncertainties of the studied model. Classical RBDO methods have been applied only in linear problems and in specific non-linear ones. This study presents an extension of these methods by considering the nonlinearity of the problem. The last part of this thesis consists in studying a problem of multiobjective reliabilitybased design optimization of PCM-based heat sinks. To remedy the complexity of these systems considering uncertainties, surrogate models are then applied. These methods lead to construct an approximate model, which ensures both precision and efficiency of the model. In this study, we propose a new methodology, called MORBDO-RHM, which consists in combining the Robust Hybrid Method (RHM) with the Constrained Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (C-NSGA-II). The efficiency of the proposed approach is then verified for a PCM-based thermal storage unit.