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Sous-structuration de systèmes thermiques par modes de branche, Substructuring thermal systems by branch eigenmodes

De
164 pages
Sous la direction de Alain Neveu, Olivier Quéméner
Thèse soutenue le 04 décembre 2008: Evry-Val d'Essonne
Cette étude concerne la simulation de systèmes thermiques comportant plusieurs domaines à l’aide d’une méthode d’ordre réduit adaptée au mono-corps. Les modèles modaux réduits sont construits à partir de modes de branche. Ceux-ci sont déterminés à l’aide d’un modèle détaillé et permettent la prise en compte de non-linéarités. La réduction est effectuée par la technique de l’amalgame modal découplé qui permet de façon automatique et immédiate d’obtenir une base réduite qui ne comporte qu’un faible nombre de modes à partir de la base initiale. Le couplage entre les différents domaines s’effectue par l’intermédiaire d’une résistance thermique de contact. On montre la nécessité de faire intervenir un terme supplémentaire de pénalisation de saut de flux qui vient améliorer les résultats. Les simulations numériques effectuées sur des cas tests (microprocesseur et radiateur en 2D, bloc métallique avec cartouches chauffantes en 3D) montrent la pertinence de la méthode.
-éléments finis
This study concerns the simulation of thermal systems with multiple fields with a reduced-order method suited to a single body. Reduced models are constructed from modal branch eigenmodes. They are determined using a detailed model and allow the inclusion of non-linearities. The reduction is carried out by the simplified amalgam method which allows an automatic and immediate way to obtain a reduced basis which contains only a small number of modes from the original basis. The coupling between the different areas is carried out through a thermal contact resistance. It shows the need to involve an additional flux jump penalty term to improve the results. The numerical simulations carried out on test cases (microprocessor and radiator in 2D, metal block with hot cartridges in 3D) show the relevance of the method.
-finite elements
Source: http://www.theses.fr/2008EVRY0020/document
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´UNIVERSITE D’EVRY-VAL-D’ESSONNE
`THESE
pour obtenir le grade de
´DOCTEUR DE L’UNIVERSITE D’EVRY-VAL-D’ESSONNE
Sp´ecialit´e : sciences de l’ing´enieur
´pr´epar´ee au Laboratoire de M´ecanique et d’Energ´etique d’Evry
´dans le cadre de l’Ecole Doctorale SITEVRY
pr´esent´ee et soutenue publiquement par
Pierre-Olivier LAFFAY
le jeudi 4 d´ecembre 2008
Sous-structuration de syst`emes thermiques
par modes de branche
JURY
M. Fr´ed´eric BOURQUIN Ing´enieur en chef, LCPC-GER Pr´esident
M. Jean-Luc BATTAGLIA Professeur, Universit´e Bordeaux I Rapporteur
M. Daniel PETIT Professeur, ENSMA Rapporteur
M. Zhi-Qiang FENG Professeur, Universit´e D’Evry Val-d’Essonne Examinateur
M. Alain NEVEU Professeur, Universit´e D’Evry Val-d’Essonne Directeur de th`ese
´ ´M. Olivier QUEMENER Maˆıtre de conf´erences, Universit´e D’Evry Val-d’Essonne Co-directeur de th`eseRemerciements
Mes remerciements s’adressent en premier lieu `a mes directeurs de th`ese, Alain Neveu et Olivier
Qu´em´ener : merci pour tout ce que vous m’avez appris, aussi bien dans le domaine de la recherche que
dans celui de l’enseignement.
Mes remerciements s’adressent´egalement `a Jean-Luc Battaglia et a` Daniel Petit qui ont accept´e de
r´ediger un rapport d´etaill´e sur mon travail.
J’exprime ´egalement toute ma gratitude aux autres membres du jury : Fr´ed´eric Bourquin qui a
accept´e de le pr´esider et Zhiang-Qiang Feng pour l’int´erˆet qu’il a t´emoign´e a` ma th`ese.
Je tiens `a remercier l’ensemble du personnel que j’ai cotoy´e a` l’IUT de Br´etigny et au LMEE et en
particulier Fr´ed´eric, Etienne, Sylvie, Jean-Franc¸ois, Ayoob, Hakim, Mohamed, ...
Je remerciesp´ecialement,les jeunes retrait´esqui m’ont fait l’honneur de venir sp´ecialementpour ma
soutenance : Raymond Uny et Olivier Daube. Mais aussi mes nouveaux coll`egues qui se sont d´eplac´es`a
travers la r´egion parisienne : Catherine Juramy et Pierre Huguet.
Pour finir, je remercie toute ma famille, mes amis et tous ceux que j’ai oubli´e.Table des mati`eres
Remerciements 3
Liste des figures 7
Liste des tableaux 9
Introduction 11
I Rappels pr´eliminaires 13
1 Etat de l’art 15
2 Introduction `a l’analyse modale 25
II Th´eorie et pratique du couplage par conduction 33
3 Th´eorie du couplage par conduction 35
4 Pratique du couplage par conduction en 2D 47
5 Pratique du couplage par conduction en 3D 73
Conclusion 95
Annexes 99
A Th´eor`emes de Green-Ostrogradsky 101
B Le th´eor`eme spectral 105
C S´eparation des variables 109
D Analyse modale «classique» 119
E Base de branche 127
F R´eduction modale 139
G Expressions matricielles 149
H Les cinq premiers modes du processeur 157
Bibliographie 160Liste des figures
1.1 Paris sous la pluie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Figure 1 de l’article [39] pr´esentant la fronti`ere Γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23c
2.1 Domaine Ω avec sa fronti`ere et sa normale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
(1) (2)3.1 Domaine Ω constitu´e de deux sous domaines Ω et Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1 G´eom´etrie du processeur avec son radiateur (a` l’´echelle 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Loi de contrˆole du ventilateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 R´esum´e des mod`eles ´el´ements finis utilis´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 Sch´ema g´en´eral du pas de temps variable pour les mod`eles d´etaill´es . . . . . . . . . . . . 52
4.5 Hyst´er´esis de la fonction f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.6 Effet du pas de discr´etisation δx sur le r´esultat calcul´e par diff´erences finies de 4.9 . . . 54
4.7 Effet du pas de discr´etisation δx sur le r´esultat calcul´e par diff´erences finies de 4.10 . . . 55
4.8 Evolutions thermiques maximales et minimales dans le processeur et dans le radiateur . 55
4.9 Bilan sur les mod`eles d´etaill´es de l’´etude 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.10 Erreur de projection pour le processeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.11 Erreur de projection pour le radiateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.12 Sch´ema g´en´eral du pas de temps variable pour les mod`eles r´eduits . . . . . . . . . . . . 63
4.13 Cas test propos´e pour le processeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.14 Cas test propos´e pour le radiateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66e4.15 Effet du cas test avec N =20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67e4.16 Effet du cas test avec N =160 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68e4.17 R´esultats pour N =20,60,160 avec le cas test 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
∗ e4.18 Trac´e de la fonction γ pour N =20,60,160 avec le cas test 1 . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.1 Photographie du bloc lors d’une exp´erience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Synoptique du dispositif exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3 R´esulats de l’analyse modale mono-corps en 3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4 Vue du 143`eme mode de branche a` l’aide de quatre tranches . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5 G´eom´etrie du bloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.6 Evolution temporelle de la puissance volumique dissip´ee dans les cartouches . . . . . . . 79
5.7 Evolution de la temp´erature maximale et minimale pour le mod`ele MD . . . . . . . . 81M
5.8 Erreur de projection en mono-corps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.9 Evaluation de ΔT en fonction de la RTC par la formule 5.19 . . . . . . . . . . . 84saut,max
5.10 Temp´eratures minimale et maximale au cours du temps pour les deux mod`eles MD etM
MD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853E
5.11 Erreur de projection pour le bloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.12 Erreur de projection pour la cartouche de gauche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.13 Erreur de projection pour la cartouche de droite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.14 Temp´eratures minimale et maximale au cours du temps pour chacun des trois mod`eles
´el´ements finis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
A.1 Domaine Ω avec sa fronti`ere et sa normale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
(1) (2)A.2 Domaine Ω constitu´e de deux sous domaines Ω et Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
C.1 Plaque de [0,L ]×[0,L ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110x y
C.2 Trac´e des fonctions permettant de d´eterminer graphiquement les racines de C.32 . . . . 115
7D.1 Domaine Ω avec sa fronti`ere et sa normale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
E.1 Domaine Ω avec sa fronti`ere et sa normale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
E.2 D´emarche de calcul des modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
(1) (2)G.1 Domaine Ω constitu´e de deux sous domaines Ω et Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
G.2 Zoom sur l’interface entre deux maillages non-conformes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
G.3 Projection orthogonale de M sur [AB] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
G.4 Zoom sur la projection du maillage 1 vers 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
G.5 Zoom sur la projection du maillage 2 vers 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
G.6 Illustration de projection 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
H.1 Premier mode de branche du processeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
H.2 Deuxi`eme mode de branche du processeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
H.3 Troisi`eme mode de branche du processeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
H.4 Quatri`eme mode de branche du processeur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
H.5 Cinqui`eme mode de branche du processeur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159Liste des tableaux
2.1 Comparaison entre la m´ethode modale de branche et la m´ethode modale classique . . . 31
3.1 Epaisseur ´equivalente en fonction de la conductivit´e du mat´eriaux . . . . . . . . . . . . 37
4.1 Caract´eristiques des mat´eriaux et production volumique d’´energie . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Param`etres du mod`ele MD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53A
4.3 Param`etres du mod`ele MD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56C
4.4 Param`etres des cas tests ´etudi´es. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.1 D´esignation des corps et des surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2 Caract´eristiques des mat´eriaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3 R´esultats obtenus en analyse modale mono-corps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4 Comparaison MR et MD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893E 3E
5.5 Comparaison MR et MD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903E M
5.6 Comparaison MR (sans fonctionnelle de saut de flux) et MD . . . . . . . . . . . . . 923S M
5.7 ComparaisonMR (avecunparam`etredepond´eration(β)optimalpourlafonctionnelle3S
de saut de flux) et MD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92M

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