La caractérisation des mécanismes de transfert entre un écoulement fluide incompressible et une structure solide constitue l’objectif principal de ce présent mémoire. A partir d’un solveur développé au sein de l’équipe, les travaux se sont plus particulièrement focalisés sur les stratégies de couplage avec un solveur solide, afin de traiter à la fois les échanges énergétiques et les mouvements de la structure. Dans notre approche, le modèle traitant la partie solide est le solveur ASTER et une attention particulière a été portée sur la stratégie de couplage à mettre en place.Dans la partie couplage fluide/structure, des cas de référence ont été réalisés avec une complexité croissante et l’intégration de la problématique des frontières immergées a été étudiée. En effet, alors que la modélisation avec des frontières immergées semble ne pas perturber les traitements côté fluide, les changements d’état de la topologie induit par le mouvement du solide dans le domaine de calcul génèrent des discontinuités dans les forces fluides estimées sur la structure. Ces dernières peuvent être plus ou moins amorties par l’introduction de techniques hybrides dans les traitements aux frontières immergées.Malgré ses quelques limitations, le solveur est capable de traiter de grande déformation assurant un fonctionne robuste et rapide pour la caractérisation des mécanismes fortement couplés. Pour le souligner, une application sur des écoulements anisothermes au sein d’une cavité représentant une cellule frigorifique a été réalisée dans le cadre du projet de recherche OSEO. A notre connaissance, les traitements réalisés ont pour la première fois permis de quantifier l’effet des ouvrants (dans les phases d’ouverture et fermeture des portes de la cellule) sur les écoulements et les échanges thermiques. Une telle modélisation permet alors de proposer des améliorations de la géométrie en cours d’analyse. / Characterization of heat transfer mechanisms between an incompressible fluid flow and solid structure is the main objective of the proposed work. From a solver developed within the team, we particularly focused on strategies for coupling with a solid solver to address both energy and structure motion. In our approach, the model treating solid part is the solver ASTER and specific attention was paid to the coupling strategy. In the fluid / structure coupling part, reference cases were performed with increasing complexity and immersed boundaries was investigated. The change in topology for the Immersed Boundary Method enhances here and there some numerical instability and the latter can be more or less damped by hybrid techniques in the treatments to submerged borders.Despite such limitations, the solver is able to handle large deformation ensuring robust and fast analysis for the characterization of strongly coupled mechanisms. To emphasize such a point, isothermal flow in a cavity representing a cold-cell was conducted as part of the research project OSEO. To our knowledge, the processing performed for the first time quantified the effect of opening (in the opening and closing of the doors of the cell phases) on the flow and heat exchange. Such modeling is then used to suggest improvements to the geometry being analyzed.

Cette étude s'articule autour d'une méthodologie d'évaluation du confort aérothermique des spectateurs dans les stades modernes. Elle propose une extension de l'approche aérothermique sur le confort visuel et aborde les aspects de confort acoustique. <br />Dans en premier temps, la démarche consiste à appréhender la notion du confort dans les espaces semi-extérieurs : une zone de confort aérothermique qui intègre uniquement l'effet de la température et du vent sur le confort est définie. La zone est délimitée par des critères thermiques et mécaniques qui sont basés d'une part, sur les indices et les cartes de confort thermique et d'autre part, sur un seuil lié à la gêne mécanique due au vent. Cette zone permet d'évaluer le confort aérothermique des spectateurs pour des valeurs de vitesse et de température associées. Les facteurs climatiques à l'intérieur du stade, en particulier l'écoulement d'air et le rayonnement solaire sont affectés par l'architecture du stade. <br />Dans un second temps, l'impact de la morphologie architecturale du stade sur les caractéristiques de l'écoulement d'air à l'intérieur du stade, notamment au niveau des tribunes est étudié. Pour cela une série d'essais paramétriques a été effectuée sur vingt configurations architecturales du stade pour trois incidences du vent dans une des souffleries à couche limite du CSTB Nantes. La vitesse du vent et son écart-type ont été mesurés par la technique de l'anémométrie à fil chaud en de nombreux points situés au niveau des tribunes. Au cours des essais les paramètres suivants ont été modifiés : l'inclinaison de la toiture, la porosité de la façade, le débord de la toiture et le plan du stade. Les résultats des essais paramétriques ont mis en évidence qu'il existe des relations entre la morphologie architecturale du stade et les caractéristiques de l'écoulement. Ainsi, le confort aérothermique des spectateurs est lié à la morphologie du stade; par ailleurs la géométrie de la toiture influe sur le confort visuel. Le confort visuel des spectateurs en lumière du jour est analysé pour trois localisations géographiques et pour dix configurations du stade comportant des toitures opaques de différentes positions ou dimensions, à partir de l'uniformité d'éclairement de l'aire de jeu : il faut notamment éviter qu'un contraste accentué dû à l'ombre de la toiture apparaisse sur l'aire de jeu. Les conditions lumineuses sont également affectées par des caractéristiques photométriques de la toiture. Une conception de méthode a été mise en œuvre qui permet de définir la morphologie photométrique de la toiture dans le cas où il n'est pas favorable du point de vue du confort thermique que l'intégralité de la toiture soit couverte par un matériau transparent qui permet d'augmenter la longueur de la période de l'éclairement uniforme de l'aire de jeu. La localisation de la partie opaque et transparente d'une toiture est déterminée par un outil expérimental appelé horizontoscope, en fonction de la localisation géographique. Cette analyse complète l'évaluation du confort aérothermique. <br />Une évaluation réelle du confort aérothermique basée sur la transposition des résultats des essais menés en soufflerie a été développée. Cette transposition intègre les données climatiques du site de construction du stade et permet d'évaluer le confort aérothermique des spectateurs pour une période choisie à partir de la zone de confort définie auparavant. Elle permet de hiérarchiser les configurations présélectionnées pour un site choisi et est ainsi destinée à être un outil d'intégration du stade dans son climat. Elle doit idéalement être employée dans la démarche de conception.

La caractérisation des mécanismes de transfert entre un écoulement fluide incompressible et une structure solide constitue l'objectif principal de ce présent mémoire. A partir d'un solveur développé au sein de l'équipe, les travaux se sont plus particulièrement focalisés sur les stratégies de couplage avec un solveur solide, afin de traiter à la fois les échanges énergétiques et les mouvements de la structure. Dans notre approche, le modèle traitant la partie solide est le solveur ASTER et une attention particulière a été portée sur la stratégie de couplage à mettre en place.Dans la partie couplage fluide/structure, des cas de référence ont été réalisés avec une complexité croissante et l'intégration de la problématique des frontières immergées a été étudiée. En effet, alors que la modélisation avec des frontières immergées semble ne pas perturber les traitements côté fluide, les changements d'état de la topologie induit par le mouvement du solide dans le domaine de calcul génèrent des discontinuités dans les forces fluides estimées sur la structure. Ces dernières peuvent être plus ou moins amorties par l'introduction de techniques hybrides dans les traitements aux frontières immergées.Malgré ses quelques limitations, le solveur est capable de traiter de grande déformation assurant un fonctionne robuste et rapide pour la caractérisation des mécanismes fortement couplés. Pour le souligner, une application sur des écoulements anisothermes au sein d'une cavité représentant une cellule frigorifique a été réalisée dans le cadre du projet de recherche OSEO. A notre connaissance, les traitements réalisés ont pour la première fois permis de quantifier l'effet des ouvrants (dans les phases d'ouverture et fermeture des portes de la cellule) sur les écoulements et les échanges thermiques. Une telle modélisation permet alors de proposer des améliorations de la géométrie en cours d'analyse.

Cette thèse porte sur l’étude et l’optimisation aérothermique d’un alterno-démarreur utilisé dans les véhicules hybrides. Ces machines produisant beaucoup plus de puissance qu’un alternateur classique, leur refroidissement est donc critique. La machine est modélisée en utilisant la méthode nodale en régime permanent qui utilise des réseaux de conductances thermiques. Pour alimenter le modèle, on utilise des corrélations issues de la littérature pour modéliser les transferts convectifs et on effectue des calculs CFD de la machine complète pour obtenir la répartition des débits. Les résultats obtenus numériquement sont ensuite validés expérimentalement à l’aide d’essais par Vélocimétrie par Images de Particules et d’essais thermiques par mesure thermocouples. Dans un deuxième temps, on couple un algorithme d’optimisation au code pour obtenir une géométrie de la machine optimale d’un point de vue thermique. La méthode retenue est l’Optimisation par Essaim Particulaire (PSO). L’optimisation se fait sur la taille des têtes de bobines, la position des ventilateurs et la section des canaux rotoriques. On obtient des géométries différentes selon les objectifs que l’on cherche à atteindre. La dernière partie de la thèse porte sur l’optimisation multi-objectifs d’un dissipateur située sur la partie électronique à l’arrière de l’alternateur : le dissipateur doit refroidir le plus possible l’électronique sans pour autant perturber l’écoulement. On étudie aussi plusieurs formes d’ailettes pour atteindre ces objectifs. / The goal of this thesis is the aero-thermal study and optimization of a starter-alternator used in hybrid cars. This kind of machines being more powerful than a regular alternator, their cooling is critical. The machine is modeled using lumped method in steady state which uses networks of thermal conductances. The inputs for the model are obtained using correlations from bibliography for the convective heat transfers and three dimensional CFD for the flow rates inside the machine. The numerical results are validated by experimental results with PIV for the fluid results and a machine fitted with thermocouples for the thermal part. In the second part, the thermal code is coupled with an optimization algorithm to obtain an optimal geometry of the machine from a thermal point of view. The method chosen is Particle Swarm Optimization (PSO). The parameters are the sizes of the end-windings, the positions of the fans and the cross section of the rotor channels. For different objectives, different optimal geometries are obtained. The last part of this work aims at the multi-objectives optimization of a heat sink located at the back of the machine. The heat sink has to be thermally efficient but should not affect the flow. Different shapes of fins are also studied.

Cette thèse porte sur l’étude et l’optimisation du refroidissement des convertisseurs électriques de puissance (CVS) utilisés dans les trains. Ces composants de grandes dimensions sont lourds, bruyants, et représentent un gouffre énergétique à cause de leur système de refroidissement composé de ventilateur. Nous analysons d’autres types de refroidissements économiques et efficaces. Nous étudions numériquement sous Comsol Multiphysics le refroidissement des CVS par convection naturelle en utilisant l’effet cheminée et par film liquide en exploitant le changement de phase pour évacuer le maximum de chaleur. Les résultats numériques sont validés avec les résultats issus de la littérature et ceux obtenus expérimentalement grâce à un dispositif réalisé pour cette étude. Les résultats obtenus ont permis de constater que la convection naturelle n’est pas suffisante pour évacuer la chaleur et que le refroidissement par film liquide représente une solution très efficace. Nous avons aussi étudié expérimentalement l’efficacité du refroidissement par caloducs. L’influence de la répartition de la chaleur a aussi été analysée pour optimiser l’emplacement des composants électroniques dans le CVS. Une comparaison générale de tous les résultats a permis de proposer le système le plus optimiser en fonction des paramètres choisis. / This thesis is about a study and optimization of the cooling electric power converters (CVS) used in trains. These components are heavy, noisy, and are not energetically efficient. We analyze other types of economic and efficient cooling. We used Comsol Multiphysics to study numerically CVS cooling by natural convection using the chimney effect and liquid film by exploiting the phase change to evacuate heat. The numerical results are validated with the results from literature and those obtained experimentally. The results have shown that natural convection is not sufficient to evacuate the heat and the cooling by liquid film represents an interesting solution. We also studied experimentally the effect of the heat pipe cooling. The influence of the heat distribution was also analyzed to optimize the location of the electronic components in the CVS. A general comparison of all results was proposed to optimize the cooling system.

L'évolution des critères de confort et d'espace passager dans les véhicules ferroviaires de nouvelle génération impose de regrouper les équipements en toiture. Des éléments dégageant d'importantes quantités de chaleur doivent alors cohabiter avec d'autres nécessitant une alimentation en air frais et ce dans un espace relativement confiné, éventuellement soumis à de fortes perturbations de l'écoulement. Ceci peut entraîner la dégradation des performances générales du véhicule, dont la conception doit donc être reconsidérée. La première phase de l'étude est consacrée aux aspects stationnaires et instationnaires de l'écoulement à l'échelle du train, puis des équipements. Le fonctionnement de ceux-ci est pris en compte lors de simulations numériques et expérimentales portant sur différents types de matériels caractéristiques du parc ferroviaire. Des essais en ligne viennent également valider les résultats numériques obtenus. Ces derniers permettent de définir un nouveau modèle numérique pour les équipements, basé sur une cavité tridimensionnelle. Une étude paramétrique de diverses grandeurs géométriques du modèle met alors en évidence plusieurs structures d'écoulement identifiables. L'influence de celles-ci sur les transferts thermiques locaux est démontrée, en particulier sur le coefficient d'échange moyen en surface du rhéostat de freinage. Une méthodologie de conception est finalement proposée. Alliant simplicité d'utilisation et efficacité, elle est applicable dès l'avant-projet et permet d'améliorer significativement les échanges thermiques en toiture en modifiant le positionnement et les dimensions des équipements.

Pas de résumé / No abstract

Les progrès du calcul scientifique ont permis des avancées importantes dans la simulation et la compréhension de problèmes complexes tels que les différents phénomènes physiques qui ont lieu dans des turbines à gaz industrielles. Cependant, l'essentiel de ces avancées portent sur la résolution d'un seul problème à la fois. En effet on résout soit les équations de la phase fluide d'un côté, de la thermique d'un autre, du rayonnement, etc... Pourtant, dans la réalité tous ces différents problèmes physiques interagissent entre eux : on parle de problèmes couplés. Ainsi en réalisant des calculs couplés on peut continuer à améliorer la qualité des simulations et donc donner aux concepteurs de turbines à gaz des outils supplémentaires. Aujourd'hui, des logiciels récents permettent de résoudre plusieurs physiques simultanément grâce à des solveurs génériques. En revanche, la contrepartie de cette généricité est qu'ils se révèlent peu efficaces sur des problèmes coûteux tels que la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Une autre solution consiste à connecter des codes spécialisés en leur faisant échanger des informations, cela s'appelle le couplage de codes. Dans cette thèse on s'intéresse au couplage d'un domaine fluide dans lequel on simule une SGE réactive (combustion) avec un domaine solide dans lequel on résout la conduction thermique. Pour réaliser ce couplage une méthodologie est mise en place en abordant différentes problématiques. Tout d'abord, la problématique spécifique au couplage de la SGE et de la thermique : l'impact de la fréquence d'échange sur la convergence du système ainsi que sur les problèmes de repliement de spectre et la stabilité du système couplé. Ensuite les problèmes d'interpolation et de géométrie sont traités avec notamment le développement d'une méthode d'interpolation conservative et la mise en évidence des difficultés spécifiques au couplage de géométries industrielles. Finalement la problématique du calcul haute performance (HPC) est traitée avec le développement d'une méthode permettant de réaliser efficacement l'échange des données et l'interpolation entre différents codes parallèles. Ces travaux ont été appliqués sur une configuration de chambre de combustion aéronautique industrielle.