Optimisation topologique des échangeurs de chaleur en régime turbulent avec la méthode des porosités

Density-based topology optimization of heat-exchangersin turbulent flow

• Auteur / Autrice : Quentin Holka
• Direction : Assaad Zoughaib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et procédés
• Date : Soutenance le 27/04/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Harion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Assaad Zoughaib, Pierre Duysinx, Talib Dbouk, Yannick Privat, Ephraïm Toubiana, Lise Noël, Maroun Nemer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Duysinx, Talib Dbouk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscosité

Transfert de chaleur

Turbulence

Échangeurs de chaleur

Optimisation topologique

Mots clés libres

Optimisation topologique

Méthode des porosités

Echangeurs de chaleur

Ecoulements turbulents

Adjoint continu

Topology optimization

Density method

Heat exchangers

Turbulent flow

Continuous adjoint

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'optimisation topologique des échangeurs de chaleur avec la méthode des porosités, en particulier en régime turbulent. Dans un premier temps, la méthode des porosités est adaptée pour la modélisation du transfert thermique conjugué en régime turbulent avec le modèle de Spalart-Allmaras. Ensuite, la méthode de l'adjoint continu est utilisée pour calculer les sensibilités de la fonction objectif et des contraintes aux variables d'optimisation. En particulier, les variations de la viscosité turbulente et de la distance à la paroi associée au modèle de Spalart-Allmaras sont intégrées dans le calcul de la sensibilité.La seconde partie de la thèse est dédiée à l'application de la méthode précédemment développée à la conception optimale de deux configurations d'échangeurs : un échangeur surfacique d'une part et un échangeur compact d'autre part. Les échangeurs surfaciques servent à évacuer la chaleur du circuit d'huile dans le flux secondaire des moteurs d'aéronefs. Les échangeurs compacts sont en général pourvus d'une surface d'échange très importante, rendant l'optimisation d'un échangeur complet hors de portée des moyens de calcul actuels. L'optimisation est donc réalisée sur un motif périodique élémentaire.L'analyse des géométries issues de l'optimisation topologique sur ces deux cas d'application met en lumière certaines limites de la méthode des porosités, en particulier liées à l'absence d'interface fluide-solide bien définie ainsi qu'à l'utilisation d'un unique modèle physique pour décrire les deux phases, mais montre également son potentiel pour générer des géométries performantes sans postuler a priori de l'architecture de la solution, y compris en présence d'écoulements turbulents.

This thesis focuses on density-based topology optimization of heat-exchangers, especially in turbulent flow. First, the density method is adapted to deal with conjugate heat transfer in turbulent flow with the Spalart-Allmaras turbulence model. Then, a continuous adjoint strategy is employed to compute the sensitivities of the objective and constraint functions with respect to the design variables. Avoiding the so-called “frozen turbulence” assumption, the variations of the turbulent viscosity and of the wall distance associated to the Spalart-Allamras model are taken into account in the computation of the sensitivity.The second part of the thesis is dedicated to the application of the previously developed methodology to the optimal design of two heat-exchanger configurations: a surface cooler on the one hand, and a compact heat-exchanger on the other hand. Surface coolers are devices used to cool down the oil circuit in aircraft engines using the air flow in the bypass stream. Compact heat-exchangers incorporate a very large heat transfer surface area, making the optimization of a complete heat-exchanger out of reach of the current computational resources. The optimization is therefore carried out on an elementary periodic pattern.The analysis of the optimized geometries on these two configurations highlights some limitations of the density method, related to the absence of a well-defined fluid-solid interface, as well as the use of a single physical model to describe both phases. However, it also shows its potential to generate efficient geometries from scratch, including in turbulent flow.