Optimisation Topologique des Echangeurs de Chaleur à Haute Efficacité par la Méthode Level-Set et l'Adaptation Anisotropique de Maillage

Topology Optimization of High Efficiency Heat Exchangers using the Level Set Method and Anisotropic Mesh Adaptation

• Auteur / Autrice : Wassim Abdel nour
• Direction : Elie Hachem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques numériques, Calcul intensif et Données
• Date : Soutenance le 23/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Laboureur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elie Hachem, Anca Belme, Talib Dbouk, Philippe Meliga
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anca Belme, Talib Dbouk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ensembles de niveaux, Méthodes d'

Échangeurs de chaleur

Systèmes complexes

Optimisation topologique

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Systèmes complexes

Optimisation Topologique

Distributeur

Maillage Anisotropique adaptatif

Transfert Thermique Conjugué

Echangeur de Chaleur

Mécanique des fluides

Adjoint Continu

Ligne de niveau

Parallélisation

Fluid Mechanics

Topology Optimization

Level-Set Method

Anisotropic Mesh Adaptation

Conjugate Heat Transfer

Heat Exchanger

Continuous Adjoint

Large-Scale Systems

Parallelization

Manifold

Résumé

Cette thèse aborde l'optimisation topologique des systèmes multiphysiques en utilisant la méthode Level-Set pour le suivi d'interface et la méthode adjointe continue pour le calcul de la sensibilité. Elle commence par aborder les problèmes d'écoulements laminaires incompressibles, puis s'étend aux systèmes de transfert de chaleur conjugué. Le cadre d'optimisation combine une méthode de volume immergé pour résoudre des formulations d'éléments finis stabilisées intégrées dans le cadre de la méthode de Variational Multiscale (VMS) avec des fonctions distances représentants l'interface fluide-solide, utilisées comme estimateur d'erreur a posteriori pour minimiser l'erreur d'interpolation sous contrainte d'un nombre prescrit de nœuds dans le maillage. Les étapes de résolution et de remaillage sont toutes deux effectuées dans un cadre massivement parallèle, permettant l'optimisation de systèmes complexes. En particulier, une stratégie de parallélisation originale est utilisée pour l'adaptation du maillage, qui combine le remaillage local effectué séquentiellement et indépendamment sur chaque sous-domaine avec des interfaces bloquées et une répartition contrainte pour déplacer de manière optimale les interfaces entre les sous-domaines (les deux sont itérés jusqu'à obtenir un maillage et une partition satisfaisants). Des résultats numériques sont fournis pour plusieurs problèmes bidimensionnels et tridimensionnels de minimisation de perte de charges et/ou d'amélioration du transfert de chaleur, impliquant des degrés de liberté de l'état variables, allant de plusieurs milliers (dans les problèmes en 2D) à plusieurs dizaines de millions (dans les problèmes en 3D). Les conceptions optimales concordent bien avec les résultats de référence de la littérature tout en offrant une précision supérieure par rapport aux études antérieures résolues sur des maillages isotropes. Le potentiel de la méthode pour les problèmes d'ingénierie d'intérêt pratique est finalement exposé en optimisant les parties de distribution et de collection transportant le fluide froid à l'intérieur des plaques d'un échangeur de chaleur à plaques et à ailettes.

This PhD considers the Optmization of Multi-Physics systems using the Level-Set Method for surface tracking and the Continuous Adjoint Method for sensitivity computation. It starts by addressing laminar incompressible flow problems, then expands to conjugate heat transfer systems. The optimization framework combines an immersed volume method for solving stabilized finite element formulations cast in the Variational Multiscale (VMS) framework with level set representations of the fluid-solid interfaces, used as a posteriori error estimator to minimize the interpolation error under the constraint of a prescribed number of nodes in the mesh. Both the resolution and remeshing steps are performed in a massively parallel framework, allowing for the optimization of large-scale systems. In particular, an original parallelization strategy is used for mesh adaptation that combines local remeshing performed sequentially and independently on each subdomain with blocked interfaces and constrained repartitioning to optimally move the interfaces between subdomains in an optimal way (both iterated until a satisfying mesh and partition are obtained). Numerical results are provided for several two- and three-dimensional problems of power dissipation minimization and/or heat transfer enhancement, involving varying state degrees of freedom, going from several thousands (in 2d problems) to several dozen million (in 3d problems). The optimal designs agree well with reference results from the literature while providing superior accuracy over prior studies solved on isotropic meshes. The potential of the method for engineering problems of practical interest is eventually exposed by optimizing the distributor and collector sections conveying the cold fluid within the plates of a plate and fin heat exchanger.