Confrontation avec la simulation numérique

Afin de valider l’outil THERM1, une confrontation avec les résultats expérimentaux présentés juste avant est menée sur la structure VER (Volume Elémentaire Représentatif) 2D. La tempé-rature initiale du modèle et du fluide est de 25°C, identique aux conditions expérimentales. Le coefficient d’échange convectif en fonction de la température est déterminé à l’aide de l’outil FLUIDE1. Sur la plage de températures étudiée, de 25°C à 80°C, le coefficient convectif varie de 8000 à 17000 W.m⁻².K⁻¹. Le modèle numérique mis en place est présenté Figure4.9.

1.5 mm 8 mm 45 mm

3 mm

Figure 4.9 – Modélisation outillage innovant - VER 2D

La simulation éléments finis du modèle de l’outillage innovant permet d’obtenir l’évolution théorique de la température minimale et de la température maximale sur l’empreinte du moule. La température maximale se situe sur le canal de chauffe, tandis que la température minimale se situe entre deux canaux. Le modèle permet également d’obtenir la température maximale du composite (identique à la température maximale de l’empreinte) et la température minimale du composite, située entre les deux canaux, au centre de la matière.

Le Tableau4.4présente la comparaison des résultats obtenus numériquement à l’aide de l’ou-til THERM1 et expérimentalement.

La comparaison des résultats numériques et expérimentaux pour les moyennes de température est présentée Figure4.10. Nous constatons une très bonne corrélation entre les courbes moyennes de température sur la peau chauffante et sur la température du fluide. La température du fluide me-surée expérimentalement s’avère être légèrement inférieure à la température simulée (de l’ordre de 2 à 3°C) tout au long du cycle. Il apparaît que le fluide se stabilise ensuite à 80°C lors de la phase stationnaire, tandis que les thermocouples positionnés sur la peau chauffante relèvent une température de 81,5°C. Cette différence de mesure peut être due au positionnement de la sonde de température dans le réservoir du thermorégulateur et pourrait ainsi expliquer la différence obser-vée avec la simulation lors de la phase de chauffe.

4.1. Démonstrateur laboratoire

Temps chauffe (s) Vitesse chauffe (°C/min)

Expérimental Eau 370 8,3 Interface 396 7,5 Composite 462 6,6 Simulation Eau 354 (-4%) 8,4 (+1%) Interface 387 (-2%) 7,7 (+3%) Composite 399 (-14%) 7,4 (+12%)

Tableau 4.4 – Résultats expérimentaux et numériques – outillage innovant

Le modèle numérique ne prenant pas en compte les effets de bord, une comparaison avec les températures au centre de l’empreinte est menée afin d’observer la réponse thermique de deux thermocouples dans des conditions identiques à celles du modèle numérique. Il apparaît une très bonne corrélation entre les valeurs simulées et les valeurs mesurées expérimentalement. Les résul-tats sont présentés Figure4.11.

De légères différences de vitesses de chauffe dans le composite et d’écart de température sont observées entre les résultats expérimentaux et les résultats numériques. La différence de vitesse de chauffe dans le stratifié composite peut s’expliquer par l’idéalisation numérique de l’interface entre le composite et la surface moulante de l’outillage. En effet, numériquement, le contact est considéré parfait, tandis que dans la réalité, une résistance d’interface existe. Le résultat obtenu numériquement étant tout de même proche de la réalité et les travaux de développement du concept MATTE portant sur l’outillage, l’erreur est considérée comme acceptable. La différence d’écart de température est quant à elle probablement provoquée par la perte de chaleur le long du canal de circulation du fluide qui n’est pas prise en compte dans le modèle numérique. Une réflexion ultérieure pourra être menée afin de prédire cette perte de chaleur le long du canal.

Les résultats ainsi obtenus montrent tout de même une très bonne corrélation entre les don-nées expérimentales et les dondon-nées numériques. Les outils FLUIDE1 et THERM1 s’avèrent ainsi être représentatifs du système étudié et permettent d’envisager leur utilisation pour une campagne d’optimisation.

Une comparaison de l’évolution des températures moyennes en surface moulante pour l’ou-tillage de référence massif, l’oul’ou-tillage innovant et la simulation thermique éléments finis sur le modèle innovant est présentée Figure4.12. Cette comparaison met en exergue la différence de réactivité des deux structures, dont le gain observé sur le temps de chauffe s’avère être non négli-geable d’un point de vue industriel, car répété un grand nombre de fois lors de la phase de chauffe et de refroidissement.

Figure 4.10 – Températures moyennes - Comparaison simulation-expérimental

4.1. Démonstrateur laboratoire

Figure 4.12 – Comparaison des températures moyennes en surface moulante - outillage de réfé-rence, innovant et simulation

-a-

-b-

-c-Figure 4.13 – Interpolation du champ de température expérimental typique en surface moulante -a- outillage de référence, -b- moule innovant et -c- champ de température numérique dans le moule innovant

Par ailleurs, grâce aux relevés de températures expérimentales sur la surface moulante de l’ou-tillage de référence et de l’oul’ou-tillage innovant, une interpolation de ce champ est réalisée au cours du temps. Les champs typiques de températures pour ces deux structures, lorsque le gradient ther-mique en surface est maximal, sont présentés Figure4.13et comparés au champ de température issu de la simulation éléments finis. Cette comparaison confirme les résultats précédemment mis en évidence concernant l’importance du réseau de circulation du fluide caloporteur et l’importance des choix géométriques pour le réseau de canaux rectangulaires afin de maîtriser le gradient ther-mique.

Les résultats obtenus grâce à cette campagne expérimentale permettent de confirmer le fait que :

— Plus la masse à chauffer est importante, plus les vitesses de chauffe sont faibles ; — Plus l’épaisseur de la partie chauffante est importante, plus le déphasage est important ; — Meilleure est la répartition des canaux, meilleur est le champ de température sur l’empreinte

de moulage et dans le composite.

Le concept MATTE obtient ainsi des résultats expérimentaux conformes aux attentes en terme de gain de performances thermiques comparé à un outillage massif de référence. Il confirme éga-lement expérimentaéga-lement que le passage à des canaux de chauffe de section rectangulaire ne pénalise pas l’échange convectif, lorsque la géométrie est étudiée de sorte à limiter les pertes de charge, et peut ainsi permettre l’obtention d’une bonne réactivité thermique.