Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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’articleABSTRACT
Heat exchangers are important parts of ships’ propulsion systems. Their design and optimization require new simulation methods development in order to improve accuracy on physical model, numerical and computer performances. This article is related to a long-term research project initiated by a large industrial group in collaboration with two academic partners. This collaboration is leading to the development of a global method for heat exchangers’ thermohydraulic simulations.
Auteur(s)
-
Vincent MELOT : Ingénieur-chercheur - Naval Group Indret – La Montagne, France
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Joris BARDOU : Ingénieur-chercheur - Naval Group Indret – La Montagne, France
-
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.
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
numerical simulation | heat exchangers | reduced-order models | parametric studies
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Contexte-enjeu-objectifs du projet
En anglais
3. Bilan et perspectives
3.1 Points positifs
Ce programme de recherche s’est appuyé sur une collaboration entre Naval Group et deux partenaires académiques avec lesquels les experts industriels partagent et produisent, depuis de nombreuses années, des connaissances et des résultats d’intérêt scientifique et industriel.
Cette relation de connaissances et de confiance mutuelles a été le socle des recherches engagées, lesquelles se sont concrétisées en 2020 par la mise au point d’une méthode numérique globale, nommée SIMEC CFD (pour « simulation d’échangeur de chaleur par CFD »), fondée sur :
-
le développement d’un code adapté à la modélisation CFD des générateurs de vapeur et des condenseurs avec un code industriel (ANSYS/Fluent) ;
-
l’écriture de fonctions spécifiques (ou UDF, user defined functions) dans ce code et son optimisation informatique (en particulier sur des aspects de parallélisation) ;
-
l’uniformisation du code avec les développements précédents sur les échangeurs monophasiques.
Intégrée dans le processus de vérification et de validation (V&V) de Naval Group, cette méthodologie de calcul a suivi des étapes de montée en maturité qui ont abouti à son application à différents projets d’importance pour Naval Group, par exemple :
-
pour le système thermique permettant d’augmenter l’autonomie des sous-marins en plongée ; SIMEC CFD a été utilisé afin d’améliorer certaines parties de l’échangeur et d’accompagner le dimensionnement de nouveaux échangeurs ;
-
pour le condenseur des sous-marins et porte-avions, SIMEC CFD a été utilisé afin de comprendre le fonctionnement de ce type d’échangeur afin d’en améliorer les performances ; SIMEC CFD a pu être comparé au code THYC développé par EDF sur une référence commune, et fait également l’objet d’une validation par une campagne d’essais expérimentale.
3.2 Axes de travail et d’amélioration
La qualification des différents modèles (condenseur, évaporateur ou monophasique) est de plus en plus complète, il reste...
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Bilan et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(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).
-
(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).
-
(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).
-
...
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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