Étude numérique 3D d’un régénérateur magnétocalorique : analyse et intensification par microstructuration des échanges de chaleur en écoulement alterné

3D numerical study of a magnetocaloric regenerator : analysis and intensification by microstructuring of heat exchanges in alternating flow

• Auteur / Autrice : Mickaël Perrin
• Direction : Yannick Bailly, Jean-Claude Roy, Thierry de Larochelambert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Fohanno
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Risser
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Bougeard, Sébastien Poncet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Effet magnétocalorique

Régénérateur

Modélisation multiphysique

Écoulement oscillant

Microstructuration

Echangeur thermique

Echangeur de chaleur

Magnetocaloric effect

Regenerator

Multiphysical modelisation

Alternating flow

Microstructuration

Heat exchanger

Résumé

Les fluides frigorigènes utilisés dans les machines à compression de vapeur ont généralement un impact négatif élevé sur le réchauffement climatique et sont peu à peu supprimés du marché. Dans les années à venir, la dernière ca-tégorie, les hydrofluorocarbures (HFC), sera concernée par ces interdictions. Plusieurs technologies beaucoup moins polluantes sont encore à l’étude afin de remplacer les machines actuelles. L’une d’entre elles, la magnétocalorie, est l’objet d’étude de cette thèse.L’effet magnétocalorique se caractérise par le changement de température réversible de certains matériaux soumis à une variation de champ magnétique. En l’exploitant judicieusement, il est possible de concevoir des machines frigorifiques magnétiques n’utilisant pas la compression de vapeurs frigorigènes.Ces technologies complexes font appel à plusieurs domaines des sciences physiques : électromagnétisme, thermodynamique, fluidique et mécanique. Le nombre important de paramètres caractérisant une machine magnéto-calorique impose d’une part une modélisation multiphysique rigoureuse des phénomènes couplés qui s’y déroulent et d’autre part une simulation numérique approfondie de son fonctionnement.Une large étude bibliographique ayant montré que la majorité des modèles existants sont développés en 1D et 2D, la première tâche de cette thèse a été de développer un modèle numérique CFD 3D inspiré du banc d’essai magné-tocalorique déjà opérationnel au laboratoire. Basé sur un modèle magnétostatique, il reproduit fidèlement le compor-tement magnétothermique d’un matériau magnétocalorique soumis à de fortes impulsions de champ magnétique.Malgré l’efficacité théorique de ce genre de machine dont le COP avoisine 10 et pourrait atteindre 20, la puis-sance massique des machines magnétocaloriques actuelles reste limitée entre 100 et 500 W/kg, insuffisante pour con-currencer les machines à compression de vapeur. Afin d’améliorer les performances, le modèle développé dans cette thèse est utilisé en seconde tâche pour étudier les échanges de chaleur dans le cœur de la machine : le régénérateur.Dans l’industrie électronique, le refroidissement des microcomposants est soumis aux mêmes contraintes tech-niques qu’en magnétocalorie : échanger rapidement beaucoup de chaleur sur de petites surfaces. Après une bibliogra-phie des méthodes d’intensification des échanges de chaleur, une microstructuration des parois du régénérateur ma-gnétocalorique est proposée. En recouvrant celles-ci de protubérances et de cuvettes sphériques, les microcirculations fluides ainsi générées favorisent les mélanges des sous-couches et des lignes d’écoulement, ce qui a pour effet d’augmenter les échanges de chaleur sans engendrer d’importantes pertes de charge. Le facteur de performance, grandeur adimensionnelle caractérisant l’efficacité de l’intensification des échanges de chaleur relativement à celle des frottements, est étudié globalement et localement, et confirme l’intérêt d’une telle microstructuration des parois.

Refrigerants used in vapor compression machines generally have a high negative impact on global warming and are gradually being phased out. In the coming years, the last category - hydrofluorocarbons (HFCs) - will be affected by these bans. Several much less polluting technologies are still being studied to replace current equipment. One of them, the magnetocaloric energy conversion, is the subject of this thesis.The magnetocaloric effect is characterized by the reversible temperature change of certain materials subjected to a variation in magnetic field. By judicious use, it is possible to design magnetic refrigeration machines that do not use the compression of refrigerant vapors.These complex technologies are based on several fields of physical sciences: electromagnetism, thermodynamics, fluid dynamics and mechanics. The large number of parameters that characterize a magnetocaloric machine requires, on the one hand, a rigorous multiphysics modeling of the coupled phenomena that take place in it and, on the other hand, an in-depth numerical simulation of its operation.A large bibliographic study having shown that the majority of existing models are developed in 1D and 2D, the first task of this thesis was to develop a 3D CFD digital model derived from the magnetocaloric test bench already operational in the laboratory. Based on a magnetostatic model, it faithfully reproduces the magnetothermal behavior of a magneto-caloric material subjected to large magnetic field pulses.Despite the theoretical efficiency of this type of machine, whose COP is around 10 and could reach 20, the specific power of current magnetocaloric machines remains limited between 100 and 500 W/kg, insufficient to compete with vapor compression machines. In order to improve the performance, the model developed in this thesis is used as a sec-ond task to study the heat exchange in the heart of the machine: the regenerator.In the electronics industry, the cooling of micro-components is subject to the same technical constraints as in magne-tocalorics: rapid exchange of large amounts of heat on small surfaces. After a bibliography of methods for intensifying heat exchange, a microstructuring of the walls of the magnetocaloric regenerator is proposed. By covering the walls with spherical protrusions and dimples, the resulting fluid microcirculations promote the mixing of sub-layers and flow lines, thereby increasing heat exchange without generating significant pressure losses. The performance factor, a di-mensionless quantity characterizing the efficiency of heat exchange intensification relative to that of friction, is studied globally and locally and confirms the interest of such wall microstructuring.