Comparaison du modèle de dissipateur à ailette droites avec un logiciel commercial

avec un logiciel commercial

Il existe des logiciels commerciaux qui permettent une simulation thermique de dissipateurs à ailettes (directement disponibles ou à fabriquer sur demande). Il a ainsi semblé intéressant de comparer les résultats obtenus par le modèle présenté au chapitre 2, et les résultats fournis par un logiciel constructeur. Ceci permettra de quantifier la précision entre des logiciels largement utilisés pour du dimensionnement, et le modèle analytique développé.

Le choix du logiciel s’est porté sur l’outil R-TOOL proposé par MERSEN [77].C’est un logiciel en ligne qui simule le comportement aéraulique et thermique de dissipateur thermique à ailettes en utilisant conjointement des modèles analytiques thermiques et aérauliques [78].

Différentes options de design sont possibles mais seules deux configurations ont été sélectionnées pour effectuer cette comparaison. Les configurations que nous avons sélectionnées permettent de valider les principaux points constituant le modèle présenté chapitre 2.

Cela permettra dans un premier temps de comparer le point de fonctionnement aéraulique, lorsque la vitesse d’air est obtenue à partir de la caractéristique du ventilateur associé au dissipateur. Dans un second temps, une vitesse d’air constante sera imposée afin de comparer uniquement les deux modèles thermiques. Le comportement thermique des configurations décrites sera également comparé entre les deux méthodes de modélisation. La comparaison entre logiciel industriel et modèle analytique se fera via la température maximale des sources existant dans les configurations décrites.

Un des points forts du modèle du chapitre 2 est la possibilité de représenter des dissipateurs possédant plusieurs petites sources de puissances, tailles, et positions quelconques, à la surface de la semelle. C’est pourquoi les configurations choisies pour cette étude présenteront différents ratios de surface, pour une

ou plusieurs sources, positionnées sur l’ensemble de la surface de la semelle. Le dissipateur à ailettes décrit ne changera pas d’un essai à l’autre. Le dissipateur simulé sous R-TOOL présente les dimensions illustrées en Figure 86. Le flux d’air simulé dans le logiciel R-TOOL ne sera appliqué qu’au niveau de la section d’ailette, les bords d’attaques ne sont pas considérés dans la section d’écoulement d’air [78].Le dissipateur représenté dans notre modèle analytique présente les mêmes dimensions que celles présentées en Figure 86. Les bords d’attaque de 2,2mm ne sont pas pris en compte dans le calcul du modèle aéraulique. Lorsque l’on calculera la résistance thermique, on prendra toutefois en compte une semelle de largeur 40mm, qui inclue ces deux bords d’attaque.

Figure 86: Dissipateur en aluminium simulé sous R-TOOL et implémenté dans le modèle analytique.

Pour comparer le logiciel commercial et le modèle analytique, on définira l’écart de température maximal comme observable, donné par l’équation (69)

!-NOPB -_/012#3NOPM -ONY (69)

L’écart relatif par rapport au modèle analytique sera calculé, pour chaque étude menée. Cet écart est donné par l’équation (70).

Ñ B!-NOPO5OWÒ67|13G_!- MG!-NOP2600W

NOPO5OWÒ67|13G (70)

5.2.1.1 Source non centrée et ventilateur

Le ventilateur choisi a pour référence « EBM 414 JHH» produit par EBM-PAPST, alimenté en 24V DC, de débit maximal 0,0067m3_{/s et de pression maximale 215,2Pa. La source choisie est placée sur la}

semelle du dissipateur tel que représenté Figure 87 et dissipe 60W. Ici la surface de la source représente 40% de la surface de la semelle.

Figure 87: Placement et dimensions de la source de chaleur à la surface de la semelle. La puissance dissipée est de 60W.

Une fois les simulations effectuées, l’écart relatif entre les différentes grandeurs thermiques et aérauliques (débit, pression, écart de température maximal) est calculé et présenté Tableau 10. Le coefficient d’échange convectif moyen hAMB du point de fonctionnement aéraulique du logiciel R-TOOL

est obtenu à partir du modèle analytique présenté en Chapitre 2. Ce coefficient d’échange convectif moyen hAMB est de 33,62W/m2K. Le point de fonctionnement aéraulique obtenu par notre modèle

analytique ainsi que celui obtenu par le logiciel R-TOOL sont représentés en Figure 88.

Logiciel R-TOOL Modèle analytique Pourcentage d’écart relatif ε (%)

Débit (m3_{/s) 0,0056 0,0044 -27,2%}

Pertes de charge (Pa) 38,8 52,9 26,65%

Ecart de température maximale ΔTMAX (°C) 22,8 22,9 0,44% Coefficient d’échange convectif hAMB (W/m2_K) 33,62 33,47 -0,44%

Tableau 10: Ecart relatif du modèle analytique au modèle R-TOOL, en pourcentage, pour le régime permanent établi.

Comme on peut le voir, même si l’écart sur les pertes de charges entre les deux modèles est important, l’influence est faible sur les performances thermiques. En effet, l’influence du point de fonctionnement aéraulique sur le coefficient d’échange convectif est très faible et l’écart entre les coefficients d’échange convectifs, pour les deux cas de figure décrits précédemment est de -0,44%.

Figure 88: Point de fonctionnement aéraulique lorsque l’espace inter-ailettes est fixé.

5.2.1.2 Deux sources non centrées et vitesse d’air imposée

Cette fois c’est un flux d’air à vitesse constante que l’on impose à l’ensemble des ailettes. Cette vitesse d’air est de 2m/s, soit un débit en entrée d’ailettes de 0,0028m3_{/s. Les sources utilisées sont représentées}

Figure 89. La surface de la source n°1 représente 21,4% de la surface de la semelle et dissipe 70W. La surface de la source du bas représente 5,3% de la surface de la semelle et dissipe 35W. Pour cette étude, l’espace inter ailette est égal à 0,0022m.

Dans cette section, les seules pertes de charges sont celles du dissipateur, puisque la vitesse d’air en entrée des ailettes est imposée, et non déduite du profil d’un ventilateur. Le débit d’air dans les ailettes est déduit à partir de la vitesse de l’air entrant imposée, il est donc le même pour les deux simulations. Les résultats de simulation obtenus sont présentés en Tableau 11 et Tableau 12.

Figure 89: Placement et dimensions des sources de chaleur à la surface de la semelle des deux configurations envisagées pour observer l’influence de la position des sources sur l’écart entre le modèle analytique et l’outil R-TOOL. La puissance dissipée par la source n° 1 est de 70W, celle dissipée par la source n° 2 est de 35W.

Les résultats obtenus pour la configuration de gauche sur la Figure 89 sont présentés en Tableau 11. Les résultats obtenus pour la configuration de droite sur la Figure 89 sont présentés en Tableau 12. Les écarts

Logiciel R-TOOL Modèle analytique Pourcentage d’écart relatif ε (%)

Pertes de charge (Pa) 24,3 25,78 5,74%

Ecart de température maximale pour la source n° 1 ΔTMAX (°C) 48,9 51 4,11% Ecart de température maximale pour la source n° 2 ΔTMAX (°C) 43,2 44,54 3%

Tableau 11: Ecart relatif du modèle analytique au modèle R-TOOL, en pourcentage, pour le régime permanent établi, pour la configuration de gauche de la Figure 89.

Logiciel R-TOOL Modèle analytique Pourcentage d’écart relatif ε (%)

Pertes de charge (Pa) 24,3 25,78 5,74%

Ecart de température maximale pour la source n° 1 ΔTMAX (°C) 43,8 43,25 -1,27% Ecart de température maximale pour la source n° 2 ΔTMAX (°C) 39,4 37,5 -5%

Tableau 12: Ecart relatif du modèle analytique au modèle R-TOOL, en pourcentage, pour le régime permanent établi, pour la configuration de droite de la Figure 89

Pour différentes configurations, représentation d’écoulement d’air, et pour des sources de chaleur de dimensions et positions variées, nous avons pu comparer notre modèle analytique avec les résultats de simulation du logiciel R-TOOL. Les résultats obtenus en section 5.2 montrent un écart maximal de 5% entre modèle analytique et R-TOOL.

Le logiciel R-TOOL permet donc d’afficher le profil de température au sein du dissipateur, les températures maximales et moyennes des sources de chaleurs considérées ainsi que les valeurs de pertes de charges du système représenté, en 30 secondes (une fois la configuration paramétrée).

Le modèle analytique fournit, lui, un tracé du profil de température en surface de la semelle, ainsi qu’une information sur les pertes de charges du système en 15 secondes. Le calcul du profil de température prend seulement 5ms. L’affiche du profil en surface de semelle nécessite un peu plus de temps.

Le logiciel R-TOOL étant un outil en ligne, il n’est pas possible de l’utiliser dans des routines d’optimisation pour faire de l’exploration de configurations paramétriques. De plus, seul un certain nombre de variables sont accessibles à l’utilisateur (dimensions de la semelle, flux d’air, température ambiante, choix de hauteur d’ailette et d’épaisseur parmi des bases de données).