2.3 Le module d’accumulation de chaleur 24
2.3.3 Conception finale du module 29
L’étape de transition géométrique complétée, un design de disposition de ces volumes doit être proposé. Afin de limiter les coûts d’usinage, le concept d’une section tubulaire bridée a été retenu (tube à section constante), dont une vue coupée est montrée à la Figure 2-7. Ce tube, de diamètre interne égal au diamètre de sortie de la chambre (soit 67 mm) doit permettre la disposition de pièces qui agissent comme des turbines lorsque le retour de chaleur s’amorce. Enfin, une bride n’est pas fixée de façon permanente sur la conduite, mais est plutôt maintenue par des tiges filetées, de sorte que les masses thermiques puissent être remplacées à tout moment.
Ainsi, les masses thermiques doivent restreindre l’écoulement (sans toutefois le bloquer), et idéalement emprisonner la chaleur entre elles durant le retour de chaleur, comme l’observent Svensdotter et al. (2007). Le modèle de masse thermique retenu est la plaque d’acier inoxydable perforée, géométrie qui permet également de conserver un facteur volume/surface assez représentatif d’une turbine axiale.
Afin de conserver une disposition semblable à celle d’une série de turbines (trois étages dans le moteur considéré), de telles plaques sont utilisées au nombre de trois (une pour chacune des étages), et sont séparées par des bagues d’espacement. De cette façon, le volume réduit de l’étage correspondant à la plaque lui est appliqué, tel que présenté au Tableau 2-6. Le volume provenant de la conversion des anneaux de confinement est également ajouté aux étages correspondants. Quant au compresseur centrifuge, son volume est distribué sur chacune des trois pièces de façon à ce que l’épaisseur des masses soit ajustée au ratio des temps de contact avec les différents étages. Par exemple, dans un PT6, la section de passage du troisième (et dernier) étage de turbine est environ 2,5 fois plus élevée que celle du premier étage, signifiant que pour une distance stator-rotor fixe, les gaz sont 2,5 fois plus longtemps en contact avec l’étage 3 qu’avec l’étage 1 (Annexe D). On cherche donc à ce que la masse No 3 (à l’arrière sur la Figure 2-7) soit 2,5 fois plus longue que la masse No 1 (à l’avant), et la No 2 (au milieu), 1,5 fois plus longue que la No 1.
Tableau 2-6: Reports des propriétés géométriques aux masses thermiques
Masse No 1 Masse No 2 Masse No 3
Turbines Étage 1 NGV-Aubes 100% Anneau 100% Inserts 100% Étage 2 Aubes 100% Anneau 100% Inserts 100% Étage 3 Aubes 100% Anneau 100% Inserts 100% Compresseur 50% 50% Volume Visé (mm3) 19 361 24 927 36 927 Aire Visée (mm2) 40 355 34 765 45 812
Afin de faciliter l’usinage (et limiter les coûts), le même design frontal est conservé pour chacune des trois plaques, soit trois stations (douze et quatre trous de 9,525 mm et huit de 6,35 mm), ce qui nécessite à ces plaques d’être décalées axialement de 20° dans le module, de sorte que l’écoulement soit restreint au maximum (Figure 2-8). Ces dimensions ont été vérifiées comme donnant un rapport section de passage sur section de blocage de l’air représentatif de celui d’une turbine réelle, tout en permettant un usinage facile.
Figure 2-8: a) Stations de passage des masses thermiques et b) vue de la restriction causée par le décalage de 20° des masses
Une telle considération conceptuelle limite toutefois les possibilités quant à la conservation du facteur A/V et du temps de contact, et admet un écart parfois non négligeable avec ce qui aurait dû être observé (Tableau 2-6). L’emphase est donc mise sur la conservation du potentiel thermique, et donc du volume des masses. Il est important de se rappeler ici que l’essentiel du présent travail n’est pas la représentation parfaite de la réalité moteur, mais demeure la validation des résultats numériques par l’expérimentation. Quelques données pertinentes (dimensions, propriétés aérodynamiques, etc.) du module sont présentées au Tableau 2-7. Enfin, la Figure 2-9 montre des photos du module assemblé (a, b et c) et démonté (d). Les dessins techniques du module sont donnés à l’Annexe A.
Tableau 2-7: Propriétés géométriques et fonctionnelles du module
Masse 1 Masse 2 Masse 3
E (mm) 9,525 12,700 19,050 V (mm3) 19 984 26 646 39 969 A (mm2) 10 277 12 303 21 810 ACD (mm2) 517,2 840,3 839,8 ΔPj-i/Pi 0,627% 0,869% 0,885% ACD total 478,5 ΔP/P total 2,631%
CHAPITRE 3
Validation de la méthode de résolution :
turbulence et maillage
3.
Validation de la méthode de résolution : turbulence et
maillage
Jusqu’à maintenant, le système d’étude des simulations de retour de chaleur a été défini en détail, en plus des mécanismes et conséquences prédits de ce phénomène. L’étape suivante devant théoriquement être l’adaptation du système pour en créer un modèle numérique, il peut sembler anodin de plutôt discuter de turbulence et de validation numérique ici. Cependant, il sera vu dans ce chapitre, plus particulièrement dans les cas de validation de convection naturelle et faiblement forcée avec des cas numériques simples étudiés dans la littérature, que certaines considérations géométriques du modèle sont nécessaires à la convergence de celui-ci en mode stagnant (convection fortement libre). De plus, la forme du maillage est un autre paramètre, qui lui dépend fortement du modèle de turbulence utilisé. Avant donc de procéder à la discrétisation du système, il faut analyser les possibilités offertes, et les problèmes pouvant se présenter lors d’éventuelles simulations.
En fait, certaines sources, tel Chen et al. (2009) ou FluentMD (2011-2) par exemple,
mentionnent que la convection naturelle, soit le principal moteur de transfert de chaleur lors d’un retour de chaleur, est un comportement difficile, voire impossible à reproduire numériquement. Outre le pas de temps (en transitoire) et la qualité du maillage (Chen et al, 2009), le modèle visqueux semble également influencer la pertinence des résultats. C’est pourquoi ce dernier doit être choisi judicieusement, selon le problème considéré. Dans un système ouvert, un courant d’air chaud généré par la force de flottaison peut également s’avérer difficile à faire converger, et certaines modifications géométriques ou conditions limites de compensation peuvent s’avérer nécessaires (Mistry et al., 2006). Ce chapitre sert donc essentiellement à reproduire des situations de convection mixte et naturelle pouvant être visualisées lors d’un arrêt moteur et d’un retour de chaleur, et d’y discerner les problématiques de convergence et géométriques pouvant se présenter, afin de concevoir le modèle numérique (géométrie, maillage, turbulence, etc.) en conséquence.