Prédiction des performances thermo-hydrauliques de mini-canaux ondulés obtenus par fabrication additive

Malgré l’intérêt croissant de la Fabrication Additive (FA) pour la réalisation de composants thermiques, ce procédé est encore récent et peu mature notamment concernant la maîtrise et le contrôle des topologies de surface. Des valeurs de rugosités relatives jusqu’à 38 % du diamètre hydraulique et de fortes déformations des sections de passage sont ainsi observées dans les mini-canaux [1]. Cela implique des difficultés de prédiction des performances thermo-hydrauliques à partir des dimensions théoriques (CAO). De nombreux travaux sur la modélisation de la rugosité existent mais dans le cas de la FA, les motifs de rugosité sont particuliers et nécessitent des approches différentes. Parmi elles, le modèle ESGR (Equivalent Sand Grain Roughness) semble prometteur [2]. Nos travaux concernent la caractérisation thermo-hydraulique expérimentale de milli-canaux ondulés obtenus par FA dont l’état de surface varie puis la validation de l’approche numérique retenue pour en prédire les performances. Plusieurs maquettes ont été réalisées (alliage 600) par FA (fusion laser sur lit de poudre) et CIC (Compaction Isostatique à Chaud) puis testées. Elles sont constituées d’un milli-canal (2mm de diamètre hydraulique) de rugosité variable. Les grandeurs géométriques des canaux ont été caractérisées par tomographie RX-3D (CT-scans) ce qui a permis de mettre en évidence une ovalisation de la section de passage théoriquement circulaire et des différences de rugosité et de défauts selon l’orientation de construction des parois du canal (plafond vs plancher). Un modèle RANS, k-ω\omega SST (Ansys Fluent) est employé pour les calculs numériques. Pour modéliser la rugosité, la corrélation de Stimpson et al. [2] est utilisée afin de déterminer le paramètre ESGR à partir des mesures expérimentales de rugosité. Comme attendu le transfert thermique est meilleur dans les canaux obtenus par FA que dans les maquettes lisses (CIC) au détriment des pertes par frottement. Le nombre de Nusselt ainsi que le facteur de friction obtenus par calculs CFD sont comparés aux valeurs expérimentales. Les calculs CFD tiennent compte, dans leur géométrie, de la déformation des canaux et ; dans le modèle (Icing), de la rugosité. Ils permettent de prédire les performances thermo-hydrauliques avec une erreur de ±10 %. La prédiction des déformations géométriques et des rugosités dans des composants obtenus par FA est, à notre connaissance, complexe. Les deux principales modifications proposées dans ce travail, à savoir la prise en compte des déformations géométriques et la modélisation de la rugosité à partir d’une mesure de rugosité moyenne, suffisent à prédire raisonnablement les performances thermo-hydrauliques d’un milli-canal ondulé, aucune des deux approches ne nécessitant de quelconques paramètres ajustables. Les travaux futurs s’orientent vers la prédiction des déformations et des rugosités à partir de la connaissance des paramètres d’impression lors du procédé de FA lui-même. [1] Wildgoose et al., J. Turbomach., vol. 143, no. 7, p. 071003, 2021. [2] Stimpson et al. J. Turbomach., vol. 139, no. 2, 2017, doi: 10.1115/1.4034555.