Modélisation multi-échelle du refroidissement par film liquide dans les machines électriques

Multi-Scale Modeling of Heat Transfers in Liquid-Film Flows for Electric Motors Cooling

• Auteur / Autrice : Van Quan Hoang
• Direction : Frédéric Plourde, Matthieu Fénot, Guillaume Vinay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 06/05/2024
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime [UPR 3346] / PPrime [Poitiers]
• Jury : Président / Présidente : Dominique Legendre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Canet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sivaramakrishnan Balachandar, Christian Ruyer-Quil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Reynolds, Nombre de

Mouillabilité

Refroidissement

Moteurs électriques

Modélisation CFD

Équations de Prandtl

Angle de contact

Mots clés libres

Algorithme de Pression Implicite avec Opérateurs de Division (PISO) équilibré

Fonction de hauteur

Écoulement de film liquide sur une surface complexe

Well-balanced PISO algorithm

Height function

Liquid film flow over complex surface

Résumé

Le défi de construire un solveur pour la simulation du refroidissement à l'huile dans les extrémités des bobinages des moteurs électriques est l'objet de cette étude. Le premier segment se concentre sur les phénomènes de transfert thermique du flux de film liquide sur une surface complexe pré-mouillée. L'objectif est de comprendre les mécanismes d'interaction entre le liquide et la surface complexe. Une analyse détaillée des résultats de la simulation est réalisée, en tenant compte des effets de paramètres variables tels que le nombre de Reynolds et le nombre de Prandtl. Suite à cela, un solveur précis VOF à deux phases couplé avec un modèle d'angle de contact dynamique est mis en œuvre pour tenir compte de ce type de géométrie des bobinages où le film liquide s'écoule par-dessus. Tout d'abord, l'algorithme PISO équilibré est développé, améliorant le calcul des gradients dans l'équation de la quantité de mouvement, et modifiant l'algorithme de Rhie et Chow. Cette méthode révisée assure que la force de tension superficielle et les gradients de pression sont discrétisés de manière identique au même emplacement. De plus, l'algorithme de Rhie et Chow est modifié en intégrant la force de tension superficielle, pour équilibrer les forces de pression. La méthode de la fonction de hauteur est intégrée au code CONVERGE CFD, remplaçant la fraction de vide lisse (SVF) pour une estimation de la courbure. Par la suite, l'angle dérivé du modèle d'angle de contact dynamique est utilisé pour modifier la courbure des cellules d'interface murale. Une explication approfondie de l'algorithme est fournie, ainsi que les cas de test de simulation et leur corrélation avec les données expérimentales. S'appuyant sur les travaux précédents, un ensemble de simulations est mené pour étudier les phénomènes de mouillage de l'écoulement liquide sur une surface complexe plate. En cette occasion, la surface est sèche, et le phénomène de mouillage est étudié. Cette partie présente la méthodologie de simulation numérique utilisée pour modéliser ces phénomènes, en plus des résultats de la simulation. Une analyse détaillée de ces résultats est présentée, notamment les effets de la méthode de calcul de la courbure, la variation de l'angle de contact d'équilibre et du nombre de Reynolds.

The challenge of constructing a solver for the simulation of oil cooling in electric motor end-windings is the focus of this study. The initial segment concentrates on heat transfer phenomena of liquid film flow over a pre-wetted, complex surface. The goal is to understand the interaction mechanisms between the liquid and the intricate surface. A detailed analysis of the simulation results, taking into account the effects of varying parameters like Reynold number and Prandtl number. Following this, an accurate VOF two-phase flow solver coupling with a dynamic contact angle model is implemented to take into account this kind of geometry of windings where the liquid film flows over. Firstly, the Well-balanced PISO algorithm is developed, improving the calculation of gradients in the momentum equation, and modifying the Rhie and Chow algorithm. This revised method ensures that the surface tension force and pressure gradients are discretized identically at the same location. Additionally, the Rhie and Chow algorithm is modified by incorporating the surface tension force, to equilibrate the pressure forces. The Height Function method is integrated into the CONVERGE CFD code, replacing Smooth Void Fraction (SVF) for a curvature estimate. Subsequently, the angle derived from the dynamic contact angle model is utilized to modify the curvature of the interface wall cells. A thorough explanation of the algorithm is provided, along with the simulation test cases and their correlation with experimental data. Building upon previous work, a set of simulations are conducted to study the wetting phenomena of liquid flow over a flat complex surface. On this occasion, the surface is dry, and the wetting phenomena is studied. This part introduces the numerical simulation methodology used to model these phenomena, in addition to the simulation results. Detailed analysis of these results is presented, including the effects of curvature calculation method, varying the equilibrium contact angle and Reynolds number.