Conclusions et perspectives
L’objet de la thèse consiste à calculer les transferts radiatifs dans un système d’éclairage automobile avec une méthode plus adaptée aux systèmes focalisants. Ce calcul doit être intégré à la simulation thermique afin de s’assurer que les températures atteintes par les matériaux ne dépassent pas leurs seuils critiques. Nous nous sommes d’abord intéressés à définir la méthode la plus adaptée pour répondre aux exigences de précision et de réduction du temps de calcul pour les simulations en transitoire. La méthode qui s’est imposée est la méthode de Monte Carlo. Dans ce manuscrit, les transferts radiatifs et la simulation thermique ont été traités de manière découplée.
L’option choisie a été de concentrer l’étude sur un système simple composé d’une source radiative, d’une surface réfléchissante, et d’une surface absorbante. Il était en effet difficile d’envisager plusieurs cas, tant les matériaux, les géométries, et les sources rayonnantes sont diverses. La thèse a donc permis de mieux appréhender les phénomènes mis en jeux dans un système d’éclairage et de mettre en œuvre la méthode de Monte Carlo pour le calcul des transferts radiatifs sur un produit réel.
Le chapitre 2 a porté sur l’étude de la lampe P21W. L’ensemble des phénomènes ther-miques mis en jeux dans le système lampe ont été abordés qualitativement. Une estimation approchée du bilan thermique de la lampe a été faite à partir des données de la littérature et des mesures préliminaires. Cette approche a permis d’axer l’étude sur l’estimation de la température du filament, puis sur la mesure de la température du bulbe de la lampe par thermographie infrarouge.
Température du filament
La mesure de la température du filament est délicate et nécessite donc une métrologie fine.
Dans ces travaux, deux méthodes ont été concluantes. Il s’agit de la méthode inverse et de la méthode spectrométrique. Celles-ci permettent d’abord de retrouver des niveaux de tempéra-ture proches des données des constructeurs. De plus, leur mise en œuvre est envisageable dans un contexte industriel. Les incertitudes de mesure ont permis de donner un encadrement qui pourrait être resserré sous réserve de mener des études complémentaires. Les pistes d’études pour améliorer l’encadrement de la température du filament sont les suivantes :
• Améliorer la mesure de résistivité: Cette mesure peut être améliorée en ayant une meilleure connaissance du gradient thermique sur le filament. Il s’agit d’obtenir un profil plus complet et plus réaliste avec la détection des températures plus basses au niveau des électrodes. Pour cela, le choix d’une caméra InGaAs et un filtre à bande étroite dans le NIR est préconisé.
• Mesure de la température au point χ du tungstène : En une longueur d’onde donnée les courbes de l’émissivité se croisent au point χ. Pour le tungstène, la mesure doit se faire avec un filtre centré sur λχ= 1.28µm.
conclusion
• Affiner les mesures spectrométriques avec une lampe étalon : Les mesures doivent être reproduites sur plusieurs lampes afin de s’assurer de la reproductibilité de la méthode et donner ainsi une valeur moyenne plus représentative.
Température du bulbeLes thermogrammes du bulbe ont révélé un gradient thermique induit pas les phénomènes de convection. Nous nous sommes appuyés sur ces mesures dans le chapitre 5 qui aborde le thème de la CFD.
Des études complémentaires sur la mesure de filament menées conjointement à l’élaboration d’un modèle, prenant en compte la convection interne et externe dans le bilan, permettront de tendre vers un modèle physique complet de la lampe.
Le chapitre 3 propose une caractérisation radiative du système d’étude. Il a pour objectif de faire le lien entre les grandeurs radiatives à calculer pour le calcul thermique, le com-portement physique des matériaux, et la formulation mathématique intimement liée au calcul intégral dans la méthode de Monte Carlo.Le chapitre 3 propose donc une mise en place des modèles adaptés aux mesures. Cette démarche rejoint celle adoptée classiquement dans un contexte industriel où il est nécessaire d’évaluer la précision du modèle à développer par rapport à la précision recherchée et à la nature des matériaux considérés.
Le chapitre 4 a fait l’objet d’une mise en application des algorithmes développés dans le chapitre 3, puis d’une comparaison avec l’expérience. La sensibilité du calcul de l’éclairement à la distribution spatiale du rayonnement issu de la source au sein d’un système réfléchissant a été démontrée.
Au cours du chapitre, un questionnement a été soulevé concernant l’effet du maillage sur les densités de flux estimées. Plus le maillage est fin, et plus il est nécessaire d’augmenter le nombre de rayons afin que chaque élément puisse recevoir un nombre de rayons suffisant.
Entre deux éléments de maillage, les tirages aléatoires font qu’il peut y avoir des discontinui-tés. Le risque que ces irrégularités propagent des erreurs numériques dans le calcul thermique doit être évalué dans des travaux futurs.
Le chapitre 5 doit être considéré comme une étude de faisabilité pour le couplage du calcul radiatif avec le calcul thermique. Bien que nécessitant un approfondissement à l’issue de la thèse, cette étude laisse cependant entrevoir un fort potentiel pour gagner en précision et en temps de calcul. A terme, l’objectif serait de pouvoir calculer le terme source radiatif pour le bulbe et le reste du système, uniquement par la méthode de Monte Carlo. La méthode de Monte Carlo est la plus adaptée pour gérer les flux radiatifs très directifs. Son utilisation dans le processus de simulation réduirait les risques de sous-estimer les niveaux d’énergie des zones de concentration du rayonnement. Le couplage « rayonnement-thermique » est ensuite implémenté pour estimer les températures. Un couplage fort avec la thermique nécessiterait de faire un calcul de Monte Carlo après chaque pas de temps. Ce pas de temps étant défini en fonction des constantes de temps des autres phénomènes thermiques.
Vers d’autres applications industrielles Le chauffage des matériaux par les lampes ne représente qu’un aspect des problématiques rencontrées dans les systèmes d’éclairage auto-mobiles. Les développements et les analyses apportées dans la thèse sont donc transverses et
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conclusion
peuvent profiter à la résolution d’autres problèmes.
Simulation en transitoire
Comme évoqué avant dans le manuscrit, il est intéressant, en calcul transitoire, de pouvoir découpler le calcul de certaines contributions radiatives du calcul thermique. Ceci est pos-sible dans le cas de notre lampe P21W, le temps de montée en température du filament est en effet très faible comparé aux montées en température du bulbe et des polymères. Ainsi, à puissance constante, le flux émis par le filament est considéré invariant, même en régime transitoire. L’irradiation directe des polymères par les sources radiatives principales pourra donc être traitée en dehors de la simulation thermique Fluent. Il sera également plus aisé de réaliser des simulations en situation de cycle, pour les indicateurs de direction ou les feux stop par exemple, où la lampe passe alternativement par une phase allumée et une phase éteinte.
Or, en phase allumée, la puissance de la lampe est toujours identique. Un seul calcul de Monte Carlo est donc nécessaire. Ce dernier sera introduit périodiquement dans la simulation.
Problématique de brûlure du soleil
Le soleil est aussi une cause potentielle de dégradation des matériaux en raison de la focalisa-tion du rayonnement solaire par les lentilles des projecteurs. Dans le cas du soleil, l’irradiafocalisa-tion est naturellement considérée constante à date et heure fixée ce qui permet facilement de dé-coupler le calcul radiatif du calcul thermique. Connaître les températures atteintes par les éléments situés sous la lentille permettra de définir pour chaque type de matériau et chaque position (zenith et azimuth) du soleil une distance limite en deçà de laquelle il est interdit de positionner un masque, au risque de dépasser les contraintes thermiques du matériau.
Problématique de brûlure par les LED
Les LED provoquent aussi des effets indésirables car elles sont positionnées très près des réflecteurs. Le flux de la LED focalise sur le réflecteur qui peut alors subir une dégradation.