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RÉSUMÉ
La conception et l’optimisation d’échangeurs de chaleur, pièces d’importance des systèmes de propulsion de certains navires, demandent de développer des méthodes de simulation nouvelles, offrant aux ingénieurs la possibilité de connaître de manière plus précise la performance et de pouvoir aussi optimiser le faisceau de tubes. Ce retour d’expérience est consacré à un projet de recherche de long terme engagé par un grand groupe industriel en collaboration avec deux partenaires académiques, pour développer une méthodologie globale de simulation des caractéristiques thermiques et hydrauliques d’échangeurs.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Vincent MELOT : Ingénieur-chercheur - Naval Group Indret – La Montagne, France
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Joris BARDOU : Ingénieur-chercheur - Naval Group Indret – La Montagne, France
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Jean-François SIGRIST : Ingénieur-chercheur, journaliste scientifique - Expertise & communication scientifiques (eye-PI) – Tours, France
INTRODUCTION
Les usages industriels de la simulation numérique ne cessent de se diversifier, bénéficiant d’innovations constantes, fruits du travail collaboratif des mondes académique et industriel. Le présent retour d’expérience en donne un exemple sur les problématiques de dimensionnement et d’optimisation d’échangeurs de chaleur utilisés dans les systèmes de propulsion de navires technologiques (sous-marins, porte-avions). Améliorer les performances de ces échangeurs de chaleur, conçus afin de répondre à un cahier des charges aux fortes exigences opérationnelles et fonctionnelles (compacité, sûreté, durabilité, etc.), demande de disposer de méthodes numériques à la fois précises et rapides, pour produire des données utiles aux ingénieurs et aux concepteurs.
Un programme de recherche engagé sur près d’une décennie par un constructeur naval d’envergure internationale, en collaboration avec des chercheurs académiques experts en modélisation et simulation d’écoulements complexes, a permis de mettre au point une méthode de calcul innovante. Validée par confrontation avec des résultats de référence (essais et calculs), la modélisation physique et numérique proposée a atteint une maturité technologique permettant son usage pour répondre à des besoins industriels concrets.
Domaine : innovation, recherche collaborative.
Entreprises concernées : constructeurs (industrie navale, énergies), éditeurs de logiciels (calcul scientifique, simulation numérique, HPC), bureaux d’études (conception de systèmes de propulsion, de récupération d’énergie).
Technologies/méthodes impliquées : modélisation numérique, calcul scientifique, éléments finis.
Secteurs : constructions mécaniques, ingénierie navale, production d’énergie.
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2. Mise en œuvre du projet-actions menées
2.1 Aspects techniques
2.1.1 Principe de la modélisation
La modélisation proposée s’appuie sur les phénomènes observés dans un échangeur tubulaire en calandre :
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l’écoulement à l’intérieur des tubes est relativement simple à modéliser car il s’effectue de façon privilégiée selon la direction longitudinale : il peut ainsi être représenté à l’aide d’équations 1D dans cette direction ;
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l’écoulement à l’extérieur des tubes est plus complexe à modéliser car il présente de fortes hétérogénéités spatiales, autant en termes hydrauliques que thermiques ; les directions longitudinales et transversales sont donc couplées et il s’avère alors nécessaire de représenter l’écoulement par des équations 3D.
La simulation thermo-hydraulique (figure 3) se fonde ainsi sur un modèle de couplage thermique, entre les grandeurs obtenues avec le modèle 1D (intérieur tube et tubes) et le modèle 3D (extérieur tube).
La modélisation 1D permet de décrire, à grande échelle (c’est-à-dire de façon globale), l’écoulement à l’intérieur des tubes alors que la modélisation 3D du circuit extérieur tubes décrit l’écoulement à des échelles plus petites (i.e. de façon locale). Cependant, modéliser en 3D des écoulements complexes, comme celui du fluide circulant entre plusieurs milliers de tubes, s’avère coûteux en temps et ressources de calcul. Une approche par milieu poreux est alors proposée afin de décrire avec une précision satisfaisante les phénomènes en jeu, tout en demandant des ressources de calcul moins importantes qu’une approche tridimensionnelle complète.
HAUT DE PAGE2.1.2 Modélisation des écoulements en faisceau avec des milieux équivalents
La modélisation équivalente par milieu poreux...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - AUBRY (S.), OLIVE (J.), CAREMOLI (C.), RASCLE (P.) - The THYC Three-dimensional Thermal-hydraulic Codes for Rod Bundles: Recent Developments and Tests. - Nuclear Technology, 112, 170254 (1995).
-
(2) - BONNEAU (C.) - Caractérisation des performances thermiques et hydrauliques d'échangeurs de chaleur par l’utilisation de milieux équivalents. - Université de Nantes (2017).
-
(3) - BONNEAU (C.), JOSSET (C.), MELOT (V.), AUVITY (B.) - Comprehensive Review of Pure Vapour Condensation Outside of Horizontal Smooth Tubes. - Nuclear Engineering and Design, 349, 92-108 (2019).
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(4) - CONSOLINI (L.), ROBINSON (D.), THOME (J.R.) - Void Fraction and Two-Phase pressure drops for evaporating flow over horizontal tube bundles. - Heat Transfer Engineering, 27, 5-21 (2006).
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(5) - DITTUS (F.W.), BOELTER (L.M.K.) - Heat Transfer in Automobile Radiators of the Tubular Type. - University of California Publications in Engineering, 2, 371 (1930).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Vincent MELOT, « Power from the Sea », ANSYS Advantage IX (3) (2015).
https://www.ansys.com/content/dam/product/fluids/fluent/power-from-the-sea-aa-v9-i3.pdf
Naval Group, « Découvrez la revue Research » (14 octobre 2022).
https://www.naval-group.com/fr/decouvrez-la-revue-research
HAUT DE PAGEOrganismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Association française de mécanique (AFM)
American Society of Mechanical Engineers (ASME)
Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA)
Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)Naval Group Research
Centre d’Expertise des Structures et Matériaux Navals
5, rue de l’Halbrane
44340 Bouguenais
https://www.naval-group.com/fr
Polytech’Nantes
Rue Christian Pauc
44300 Nantes
https://polytech.univ-nantes.fr
La Rochelle Université
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