Etude numérique et expérimentale des échanges thermiques en régime pulsé : application au refroidissement des batteries d'un véhicule électrique
Le secteur automobile est en constante évolution et vise la neutralité carbone pour 2050. L'électrification totale ou partielle des véhicules est nécessaire pour répondre à cet enjeu en réduisant les émissions de gaz à effet de serre, tout en correspondant aux futures projections de mix énergét...
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| Hlavní autor: | |
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| Další autoři: | , , , , , , , |
| Médium: | Thèse numérique |
| Jazyk: | Français |
| Vydáno: |
2025.
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| Témata: | |
| On-line přístup: | Accès au texte intégral https://theses.univ-orleans.fr/public/2025ORLE1039_va.pdf http://www.theses.fr/2025ORLE1039/abes https://theses.hal.science/tel-05477931 |
| Poznámka: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : PRISME - Laboratoire Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes et Mécanique Energétique (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Jérôme Bellettre (Président du jury) ; Benoît Pier, David Chalet, Patrice Meunier, Simon Kern, Pierre-Yves Passaggia, Christian Caillol (Membre(s) du jury) ; Benoît Pier, David Chalet (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Numerical and experimental study of heat transfers in pulsating regime :, application to the cooling of electric vehicle batteries |
| Shrnutí: | Le secteur automobile est en constante évolution et vise la neutralité carbone pour 2050. L'électrification totale ou partielle des véhicules est nécessaire pour répondre à cet enjeu en réduisant les émissions de gaz à effet de serre, tout en correspondant aux futures projections de mix énergétique. Cependant, ce type de véhicule se heurte à deux problèmes importants : le temps de recharge et le cycle de vie de la batterie. L'utilisation de borne de recharge, type charge ultra-rapide (UFC), permet de réduire le temps de recharge mais va générer un surplus de chaleur préjudiciable pour la batterie. Un système de refroidissement est donc nécessaire pour assurer sécurité, performance et durée de vie de la batterie. Cette thèse porte sur l'amélioration d'un système de refroidissement actif, de type plaque de refroidissement, par l'ajout d'une pulsation dans un liquide monophasique. Les écoulements pulsés ont initialement été étudiés dans le domaine biomédical (écoulement sanguin) mais suscite un intérêt particulier pour des solutions de transfert thermique. A ce jour, les travaux antérieurs ont montré des gains sur le transfert de chaleur sur différentes configurations et différents régimes de pulsation. Néanmoins, l'origine des mécanismes responsables de cette amélioration n'est pas clairement comprise ni connue, notamment avec une géométrie de canal plan. L'écoulement de base étant temporellement périodique, un développement analytique est proposé pour décrire la dynamique et la thermique au cours du temps d'un écoulement pulsé dans un canal plan avec transfert de chaleur. La formulation analytique a permis de procéder à différentes simulations numériques qui ont mis en évidence que le transfert de chaleur est majoritairement piloté par des effets bidimensionnels et que le gain sur le transfert est sensible aux paramètres de contrôle du problème (nombres de Reynolds, Womersley et amplitude relative de pulsation). De plus, le transfert thermique est amélioré lorsque l'écoulement devient instable à certaines phases de la pulsation. La thermique étant tributaire de la dynamique dans ces régimes, une étude de stabilité linéaire a été menée afin de prédire l'apparition de ce phénomène. Trois méthodes complémentaires ont été mises en œuvre pour étudier la dynamique linéaire de l'écoulement. Ces approches modales permettent de prédire l'apparition de points d'inflexion sur les profils de vitesse, à l'origine de la déstabilisation de l'écoulement. Une large gamme de régimes de pulsation a été explorée, menant à l'identification de deux zones d'instabilités de nature non-visqueuses. Enfin, un canal hydrodynamique pulsé a été conçu, avec une mesure optique de la dynamique de l'écoulement et une mesure de la température paroi résolue en temps afin d'estimer le transfert de chaleur à la paroi. Cette dernière approche a permis de démontrer les corrélations possibles avec les profils analytiques, la robustesse de prédiction des études de stabilité ainsi que les gains potentiels sur le transfert de chaleur en comparaison avec un écoulement stationnaire. The automotive sector is constantly evolving and aims to be carbon net zero by 2050. Partial or complete electrification of vehicles is mandatory to address this challenge by reducing greenhouse-gas emissions, while corresponding with the future energy mix projections. However, this type of vehicle faces two major issues: charging time and battery life cycle. The use of ultra-fast charging (UFC) can reduce charging time but generates excess heat that is harmful to the battery. A cooling system is therefore necessary to ensure safety, performance and battery lifetime. This thesis focuses on improving an active cooling system specifically, a cooling plate by introducing pulsation in a single-phase coolant. Pulsatile flows were initially studied in the biomedical field (blood flow), and meet a particular interest for thermal transfer solutions. Previous studies have demonstrated heat transfer improvements across various configurations and pulsation regimes. However, the mechanisms responsible for this enhancement are not clearly understood, especially in planar channel geometries. Given that the base flow is time-periodic, an initial analytical development is proposed to describe dynamic and thermal of a pulsating flow within a planar channel. This analytical formulation enabled various numerical simulations, which revealed that heat transfer is predominantly driven by two-dimensional effects and that the improvement is sensitive to the flow's control parameters (Reynolds and Womersley numbers, and relative pulsation amplitude). Moreover, the heat transfer is enhanced when the flow becomes temporarily unstable during the pulsation period. Since thermal performance appears to depend on the flow dynamics, a linear stability analysis was conducted to predict the onset of this unstable phenomenon. Three complementary methods were implemented to study the linear dynamics of the flow. These modal approaches notably highlight the emergence of inflection points in the base flow profiles depending on the pulsation phase. A wide range of pulsation regimes was explored, revealing two regions of inviscid instabilities. Finally, a pulsating hydrodynamic channel including optical measurement of the flow dynamics and time-resolved wall-temperature measurements to estimate wall heat transfer was designed. This experiment highlighted possible correlations with the analytical profiles, the applicability of the stability studies, and the potential heat transfer enhancement compared to a steady flow. |
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| Popis jednotky: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : PRISME - Laboratoire Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes et Mécanique Energétique (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Jérôme Bellettre (Président du jury) ; Benoît Pier, David Chalet, Patrice Meunier, Simon Kern, Pierre-Yves Passaggia, Christian Caillol (Membre(s) du jury) ; Benoît Pier, David Chalet (Rapporteur(s)) |
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