Analyse du transfert thermique

L'analyse du transfert thermique est devenue un aspect majeur dans de nombreux processus de conception modernes. La plupart des écoulements de fluides, des matériaux, des pièces et des structures ont des caractéristiques dépendantes de la température qui ont un impact sur la résistance, les performances et le niveau de température. Des outils tels que l'Analyse par Éléments Finis (FEA) et la Mécanique des Fluides Numérique (CFD) peuvent fournir des informations importantes qui sont difficiles à obtenir avec des calculs analytiques ou des mesures physiques.

Analyse thermique

Les simulations thermiques sont utilisées pour la recherche & développement, le contrôle qualité et l'analyse des défaillances, mais aussi pour la conception régulière. Les pièces qui génèrent de la chaleur ou sont soumises à des sources de chaleur externes, comme les batteries pour véhicules électriques, les composants électroniques sur les PCB ou les chauffe-eau solaires, bénéficient d'une recherche approfondie sur la dissipation thermique efficace et la gestion de la température.

L'analyse du transfert thermique comprend également l'analyse des écoulements de fluides et du transfert thermique dans les fluides et entre les fluides et les solides. Ces analyses sont souvent utilisées pour évaluer les processus chimiques et pharmaceutiques et pour le développement de projets innovants en matière d'énergies renouvelables.

Deux outils typiques sont utilisés pour l'analyse thermique : l'Analyse par Éléments Finis (FEA) et la Mécanique des Fluides Numérique (CFD).

Analyse du transfert thermique avec FEA

L'analyse thermique avec FEA permet de résoudre le transfert thermique dans ou entre les solides. Les mécanismes de transfert thermique tels que la convection, la conduction et le rayonnement thermique peuvent être calculés. Cependant, la convection et le rayonnement thermique sont explicitement définis par l'analyste et ne sont pas calculés par le logiciel FEA.

L'analyse du transfert thermique avec FEA est principalement utilisée dans les cas où le coefficient de convection thermique peut être supposé constant sur la surface de la pièce ou lorsque le coefficient est connu avec une précision suffisante.

L'analyse du transfert thermique avec FEA permet également de calculer la dilatation thermique et les contraintes structurelles dues aux gradients thermiques dans la pièce.

Analyse du transfert thermique avec CFD

Lorsqu'on utilise la Mécanique des Fluides Numérique pour effectuer une analyse thermique, le transfert thermique entre un fluide et un solide peut être calculé, ainsi que la convection dans le fluide environnant lui-même.

La convection entre un fluide et une ou plusieurs pièces solides est calculée par le logiciel et peut éliminer l'incertitude autour de la variation du coefficient de transfert thermique en effectuant une analyse précise de l'écoulement du fluide. Les vitesses locales le long de la surface de la pièce et l'apparition de turbulences, combinées aux propriétés dépendantes de la température du fluide, ont toutes un impact sur le transfert thermique par convection et sont calculées avec CFD avec une grande précision.

Interaction Fluide-Structure (FSI)

Les déformations et les contraintes structurelles dues aux variations de température dans un composant peuvent être calculées avec FEA. Les valeurs de température peuvent provenir d'une analyse de transfert thermique effectuée avec FEA ou d'une analyse CFD. Dans ce dernier cas, les solveurs CFD et FEA sont couplés et les résultats de température (et de pression du fluide) sont partagés. Cette analyse couplée est appelée analyse d'Interaction Fluide-Structure (FSI).