HAL Id: hal-01416071
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01416071
Submitted on 14 Dec 2016
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Couplage faible hydraulique et thermique dans la modélisation du refroidissement d’une pièce automobile
Rany Choufany, Gaël Lavaud, Marc Albertelli, Piotr Breitkopf, Catherine Vayssade
To cite this version:
Rany Choufany, Gaël Lavaud, Marc Albertelli, Piotr Breitkopf, Catherine Vayssade. Couplage faible
hydraulique et thermique dans la modélisation du refroidissement d’une pièce automobile. 9e Colloque
national en calcul des structures, CSMA, May 2009, Giens, France. �hal-01416071�
Couplage faible hydraulique et thermique dans la modélisation du refroidissement d’une pièce automobile
R. Choufany
1,2, G. Lavaud
1, M. Albertelli
1P. Breitkopf
2, C. Vayssade
21
Renault, Technocentre, 1, Avenue du Golf - 78280 Guyancourt
rany.choufany@renault.com
2
Laboratoire de Mécanique Roberval, UMR UTC – CNRS 6253 BP 20529 - 60205 Compiègne cedex
1 Introduction :
Dans une stratégie d’optimisation multidisciplinaire, on est amené à gérer de manière différente les interactions entre les physiques selon que les couplages considérés sont forts ou faibles. La culasse est une pièce du haut moteur, elle regroupe plusieurs disciplines : l’aérodynamique à travers les conduits d’admission et d’échappement, l'hydraulique au niveau du noyau d’eau et d’huile, la mécanique due à la thermique issue de la combustion et aux contacts avec les autres pièces situées dans la culasse. On rencontre donc au niveau de cette pièce complexe plusieurs types d’interaction qui jouent un rôle déterminant sur le comportement de la culasse.
Par ailleurs, le modèle fin du fluide nécessite la résolution des équations de Navier- Stokes, ce qui rend l’étude lourde en termes de temps de CPU. Il est donc apparu très souhaitable d'avoir recours à un méta-modèle lors de la phase d'optimisation pour réduire le coût Résumé – L’optimisation multidisciplinaire des modèles complexes nécessite la prise en compte de plusieurs disciplines couplées (structure, fluide, thermique, etc.…). La culasse est une pièce du moteur thermique qui regroupe plusieurs physiques dans un seul volume limité. On rencontre dans ce modèle des interactions entre les physiques (thermique, mécanique, aérodynamique, hydraulique etc.….); on traitera dans cette communication le couplage faible thermo-hydraulique afin d’améliorer la prédiction de l’échange thermique à l’interface entre le fluide et la structure. Dans cette étude une stratégie de réduction par POD du modèle est utilisée.
Ce modèle réduit peut être utilisé à la place du modèle complet dans les algorithmes de point fixe pour résoudre le problème couplé et dans la phase d’optimisation.
Mots clés – Couplage thermo-hydraulique, multidisciplinaire, réduction de modèle, POD,
thermique
Figure 1 - Culasse
Dans cette étude on s’intéresse particulièrement à deux aspects qui conditionnent la mise en oeuvre de l'optimisation multi-disciplinaire: le premier est la prise en compte du couplage faible thermo–hydraulique au niveau du refroidissement du moteur complet, et le deuxième aspect concerne la réduction du modèle fluide impliqué dans ce couplage.
Le couplage peut être résolu par deux approches : dans un couplage fort, les équations sont résolues simultanément dans le même logiciel, alors que dans un couplage faible, deux codes différents sont exécutés alternativement en échangeant les champs variables jusqu'à convergence. La deuxième formulation a été adoptée en raison des contraintes industrielles sur l’utilisation des logiciels.
L'étude du couplage thermo-hydraulique montre que le phénomène d’échange thermique est très délicat: au niveau du moteur, la moindre perturbation de la température peut influencer la durée de vie du moteur. Le méta-modèle envisagé doit donc être plus riche qu'une approximation de type surface de réponse, et comporter le maximum de physique possible.
Dans cet article, une stratégie de réduction de modèles est proposée pour répondre à ces problématiques, combinant une stratégie originale de décomposition aux valeurs propres et une méthode d’approximation par krigeage. Ensuite nous présenterons l’application de cette méthode en vue du calcul thermo-hydraulique d’un moteur thermique complet.
2 Réduction des modèles par POD
La première étape consiste donc à réduire un champ h , que l’on supposera de taille n (correspondant par exemple au nombre de degrés de liberté au sein d’un maillage fluide).
L’objectif est de caractériser n’importe quel champ h à l’aide d’un nombre restreint de
paramètres scalaires. Dans le cas qui nous intéresse, le champ h est constitué des coefficients
d'échange calculés sur l'interface fluide-structure.
A cet effet, une décomposition POD (Proper Orthogonal Decomposition) est investiguée (Berkooz et al., 1993) : à partir d’un ensemble de champs de coefficients d’échange { h
(k); k = 1,…, m} déterminés par l'exécution d’un modèle « haute fidélité » (ici : par CFD – Computational Fluid Dynamics) pour un échantillon représentatif de points dans l’espace de conception, le but est de calculer une base Φ telle que :
m (k) 1 i
(k)
h Φ
) h k
h ( = + ∑ iγ iφ = + γ
=
,
expression dans laquelle h est la contribution moyenne (sur les m champs de vitesses), Φ est la base POD constituée de m composantes appelés modes et γ
(k)sont les coefficients de la combinaison linéaire exprimant h
kdans cette base. Le calcul de Φ est décrit dans (Neuman, 1996) ; on observe qu’en général, l’essentiel de la contribution énergétique est localisée dans les premiers modes (LeGresley et al., 2004). L’approximation POD consiste alors à ne conserver qu’un nombre restreint p de modes :
γ
(k)Φ ,p p h
1 i i k φ i h
h ∑ = +
+ =
= ( )
POD
approx,