Développement de la méthode de Lattice Boltzmann pour la simulation de l'aérodynamique interne des moteurs électriques

Lattice Boltzmann methods for simulating internal aerodynamics of electric engines

• Auteur / Autrice : Stéphane Capitaine-Vaillant
• Direction : Pierre Sagaut, Julien Aaron Joseph Bohbot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 16/01/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence) - Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Jury : Président / Présidente : Julien Favier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucie Merlier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Adrien Toutant, Nicolas Gourdain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie du transport

Méthode de Boltzmann sur réseau

Moteurs électriques

Aérodynamique

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Lbm

Moteur électrique

Les

Lbm

Electric engine

Les

Résumé

L’électrification croissante du parc automobile fait apparaître de nouveaux verrous technologiques. Parmi eux, le refroidissement des moteurs électriques est étudié activement. Cet intérêt est induit par une forte demande de compacité et de puissance des moteurs électriques en vue de leur intégration dans un groupe moto-propulseur d’un véhicule. Les méthodes classiques de CFD basées sur la résolution des équations de Navier-Stokes, de par la complexité des écoulements étudiés (écoulements de Taylor-Couette turbulents avec une vitesse de rotation élevée), montrent leur limitation d’un point de vue du temps de calcul. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est d’étudier et de développer la méthode Lattice Boltzmann (LBM) dans le cas de l’aérodynamique interne des moteurs électriques, et plus particulièrement des échanges thermiques des zones fluides. Dans un premier temps, le contexte du sujet de thèse sera détaillé, avec notamment une description du refroidissement des moteurs électriques. Sera aussi présentée une étude bibliographique des écoulements de Taylor-Couette. Ensuite, une description de la LBM sera donnée. Les conditions limites, sujet non trivial pour cette méthode basée sur des variables mésoscopiques, sont abordées par la suite. Un état de l’art sur ce sujet permet de sélectionner les méthodes existantes les plus adaptées à la configuration étudiée. Les résultats des calculs lancés sur configurations académiques pour sonder la capacité de la LBM à simuler ces écoulements sont alors discutés et analysés. Pour finir, la dernière partie est consacrée à l’étude d’un cas industriel grâce à la méthodologie mise en place au préalable

With the rising electrification of the vehicule fleet, new technological locks appear, such as the cooling of electrical engines. This active subject of study is essential in the search for higher engine compacity and horse power, needed for a better integration inside a car's traction chain. The widely used CFD methods based on the resolution of Navier-Stokes equations are showing limitations in terms of computational time. This is the consequence of the complexity of the studied flow (turbulent Taylor-Couette flow with high rotation speed). In that respect, this thesis' goal is to study and develop Lattice Boltzmann Method (LBM) for its application on electric engine's internal aerodynamic, and in particular on heat exchange inside fluid areas. First of all, the electric engine cooling process will be detailed, which will give the subject's context of this thesis. A bibliographic review of Taylor-Couette flow will also be proposed. Then, a LBM description will be given. After that, boundary conditions, which are a non trivial subject because of the LBM's mesoscopic point of view, will be discussed. The most appropriate boundary conditions for our configuration will be selected thank to a state of the art of those methods. LBM ability to simulate academic Taylor-Couette floware then investigated and discussed by means of our numerical simulations' results. Lastly, the last part focus on an industrial case with the previously elaborated methodology