Soutenance de thèse de Cédric SEPTET

Cette thèse porte sur l’élaboration de méthodes et d’outils numériques pour l’aide à la conception et à l’optimisation d’échangeurs de chaleur compacts et diphasiques. Les échangeurs de chaleur forment une famille de systèmes industriels très grande et sont utilisés dès lors qu’un procédé nécessite de transférer de l’énergie sous forme de chaleur d’un milieu à un autre. Dans une conception sur mesure, le défi est de trouver la structure d’échange qui apporte le meilleur compris entre apport de masse, augmentation de la perte de charge et augmentation du coefficient d’échange de chaleur. Dans le cas des échangeurs diphasiques, les phénomènes de pertes de charge, de transferts thermiques et de changement de phase sont issus de couplages forts et complexes entre les propriétés du fluide, de surface des parois et les conditions opératoires. En phase de conception, des outils numériques de dimensionnement et de simulation adaptés sont donc nécessaires pour définir les structures d’échanges appropriées. La première partie de cette thèse est ainsi dédiée à la modélisation numérique du fonctionnement d’un échangeur de chaleur diphasique. Notre idée a été d’aborder la modélisation des écoulements diphasiques et des différents phénomènes avec une approche par milieux poreux équivalent. Nous avons développé un modèle d’écoulement diphasique simplifié à 4 équations qui correspond au modèle d’Euler de mélange avec espèces. Ce modèle est fondé sur l’hypothèse d’équilibre mécanique et thermique local entre les phases liquide et vapeur à chaque instant. Un code de simulation numérique a été réalisé sous FORTRAN pour résoudre le système d’équations du modèle instationnaire dans des domaines cartésiens, réguliers et multidimensionnels. La méthode de résolution utilisée est un schéma numérique de type Godunov et les flux conservatifs sont calculés par un solveur de type HLLC où l’on résout de façon approchée des problèmes de Riemann sur chaque bord de maille des cellules de calcul. Des cas tests monodimensionnels ont permis de valider la méthode de résolution utilisée dans le code de simulation. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la mise en place de moyens expérimentaux permettant de déterminer la formulation de grandeurs essentielles à la résolution macroscopique des écoulements diphasiques. Nous avons donc conçu et réalisé un dispositif expérimental, avec sa chaine d’acquisition et de contrôle, équipé de deux circuits hydrauliques alimentés en n-pentane pour étudier soit l’ébullition soit la condensation. Des prototypes d’échangeur compacts métalliques de type plaques et ailettes, avec structures lattices servant à remplir la fonction d’ailettes, ont été conçus pour la fabrication additive et réalisés par un procédé de fusion laser sur lit de poudre. Le dispositif se distingue par une utilisation approfondie de la métrologie infrarouge pour identifier les zones caractéristiques de fonctionnement et étudier les variations spatiales des transferts de chaleur dans les prototypes. Les premières campagnes de mesures réalisées ont permis de rassembler des données expérimentales validant de façon qualitative les protocoles expérimentaux. Pour chaque point de fonctionnement, les profils de coefficient d’échange de chaleur diphasique, de pertes de charge et de titre massique en vapeur ont été déterminés.

This thesis focuses on the development of numerical methods and tools to assist in the design and optimization of two-phase compact heat exchangers. Heat exchangers form a very large family of industrial systems and they are used when a process requires a heat transfer from a fluid flow to another. In a custom-made design, the challenge is to find the structure that provides the best balance between mass input, increase in pressure drop and increase in heat transfer coefficient. In the case of two-phase heat exchangers, the phenomena of pressure drop, heat transfer and phase change are the result of strong and complex couplings between the thermo-physical fluid properties, the walls surface properties and the operating conditions. During the design step, suitable numerical sizing and simulation tools are therefore necessary to define the appropriate heat transfer structures. The first part of this thesis is then dedicated to the numerical modeling of two-phase heat exchangers functioning. Our idea was to deal with the modelling of two-phase flows and the different phenomena with an equivalent porous media approach. We have developed a simplified two-phase flow model with 4 equations, which is the mixing Euler model with species. This model is based on the assumption of local mechanical and thermal equilibrium between the liquid and vapor phases at each time step. A numerical code was developed under FORTRAN to solve the unsteady system of equations in Cartesian, regular and multidimensional calculation domains. The resolution method used is a Godunov type numerical scheme and the conservative fluxes are calculated with an HLLC solver where the Riemann problems are solved in an approximate way at each cell boundary into the calculation domain. Monodimensional test cases have validated the resolution method used in the simulation code. The second part of this thesis is dedicated to the implementation of experimental tools to determine the formulation of model parameters for the macroscopic resolution of two-phase flows. We therefore designed and built an experimental set-up, with its acquisition and control chain, with two different hydraulic circuits supplied with n-pentane to study either flow boiling or flow condensation. Prototypes of compact plate and fin type heat exchangers, with lattice structures used as fins, have been designed for additive manufacturing and manufactured by a laser powder-bed fusion process. The set-up is characterized by a thorough use of infrared metrology to identify characteristic heat transfer zones and study spatial variations in heat transfer in prototypes. The first experimental campaigns we carried out enabled us to collect experimental data to qualitatively validate the experimental protocols. For each operating point, the profiles of the two-phase heat exchange coefficient, pressure drop and the vapor mass fraction were determined.