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Convection mixte pour le refroidissement par air : identification, caractérisation et optimisation

ABG-124548 Sujet de Thèse
11/06/2024 Contrat doctoral
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LTeN - Nantes Université
Nantes - Pays de la Loire - France
Convection mixte pour le refroidissement par air : identification, caractérisation et optimisation
  • Sciences de l’ingénieur
  • Energie
Convection mixte, dissipateur de chaleur, optimisation géométrique, intensification des transferts, mécanique des fluides, thermique, expérimental

Description du sujet

La convection mixte, une combinaison de convection naturelle et forcée, constitue un phénomène fondamental du transfert de chaleur, ainsi qu’une solution prometteuse pour le refroidissement par air. Ce mode de transfert, s’il est maîtrisé avec précision, permet de tirer parti à la fois des effets de flottabilité (convection naturelle) et de l’écoulement imposé (convection forcée). Il se révèle particulièrement pertinent pour le refroidissement des dispositifs électroniques, caractérisés par une complexité croissante et une densité de chaleur à évacuer de plus en plus élevée. Dans ce contexte, la compréhension et l’exploitation judicieuse des mécanismes de convection mixte deviennent cruciaux. Ce domaine interdisciplinaire croise la mécanique des fluides, le transfert de chaleur, et l'analyse thermodynamique, offrant une perspective nuancée pour la conception et l’optimisation de refroidisseurs, tout en cherchant un équilibre entre la consommation d'énergie et l’intensification des transferts.

Cette thèse a pour objectif de comprendre et maitriser le phénomène fondamental de la convection mixte en vue d'intensifier le transfert de chaleur d'une part, et de concevoir, optimiser et développer des dissipateurs innovants pour le refroidissement par air d’autre part, afin d'assurer une gestion thermique efficace des dispositifs électroniques.

Méthodologie proposée :

Les travaux de recherche envisagés englobent plusieurs aspects, impliquant une combinaison interactive d'analyse théorique, de simulation numérique, d'algorithme d'optimisation, d'apprentissage automatique et d'expérimentation.

  1. Partie fondamentale sur les phénomènes physiques de la convection mixte : cette partie se concentrera particulièrement sur l’influence respective de l’effet de flottabilité et des forces externes. En partant d’une géométrie simple telle qu’un cylindre ou une plaque chauffante avec des ailettes, les comportements de l’écoulement et du transfert de chaleur seront caractérisés. Cela impliquera l’utilisation de dispositifs existants tels qu’une soufflerie et des techniques de mesure optique (PIV, IR, voire LIF).
  2. Conception et optimisation géométrique d'un refroidisseur par air : une fois le phénomène de convection mixte maitrisé, l’étude se dirigera vers la conception et l'optimisation géométrique d'un refroidisseur par air en utilisant différentes méthodes d’optimisation développées au sein du laboratoire. La fabrication, la mise en place dans le banc d’essais, et les tests expérimentaux mettront en valeur les performances de refroidissement supérieures de ce refroidisseur innovant et optimisé.
  3. Focus particulier sur la proposition de nouveaux modèles de prédictions, de nouveaux critères d'évaluation pour la convection mixte à travers une analyse thermodynamique : la grande quantité de jeux de données accumulés lors des tests de prototypes sera utilisée pour comparer et explorer les liens inhérents entre les modèles et indicateurs proposés et ceux conventionnellement utilisés, en utilisant éventuellement des outils d'apprentissage automatique.

Prise de fonction :

01/10/2024

Nature du financement

Contrat doctoral

Précisions sur le financement

2100€ brut mensuel minimum. Possibilité de compléments (enseignement)

Présentation établissement et labo d'accueil

LTeN - Nantes Université

Depuis sa création en 1967, le LTeN est une unité avec une identité forte en thermique, reconnue comme telle au niveau national et international, ainsi que par le tissu industriel. Afin de mieux cerner ce champ disciplinaire il convient de rappeler ce qu’il désigne.

En 1980 la communauté des thermiciens définissait sa discipline : « La thermique est la branche de la physique relative à l’une des formes les plus usuelles de l’énergie : la chaleur. Elle traite de tous les phénomènes liés à son transfert, entre milieux matériels ou en leur sein, sous l’action de différences de températures ». Une conséquence est sa finalité principale, la maîtrise des températures et des flux de chaleur.

Pour compléter cette définition, il faut préciser que la thermique est une science qui intègre naturellement les interactions et les couplages entre mécanismes de transfert de chaleur d’une part et phénomènes étudiés dans d’autres champs disciplinaires d’autre part. On peut citer notamment la mécanique des fluides et des solides, la science des matériaux, le génie des procédés et la chimie.

L’analyse des phénomènes couplés requiert en effet une fertilisation réciproque des disciplines et technologies. Ceci est naturel car la chaleur apparaît souvent dans les bilans comme terme source résultant de transformations, réversibles ou non, de la matière ou de l’énergie et dont la description fine déborde du strict domaine de la thermique. L’interdisciplinarité est alors naturelle chez le thermicien, comme par exemple pour la description des sources chimiques (polymérisation, cristallisation), électrochimique (cœur de pile à combustible), physique (solidification rapide, élaboration de matériaux, conversion photovoltaïque), rhéologique (fluides complexes), mécanique (frottement, dissipation visqueuse).

Il s’agit également d’une science particulièrement propice au développement de nouveaux concepts théoriques ou méthodologiques, tels les méthodes de changement d’échelles, les méthodes inverses, les outils stochastiques et la réduction de modèles. Nous sommes présents sur ces champs.

Les activités du LTeN concernent la compréhension et l’analyse des transferts de chaleur à différentes échelles, en vue de les maîtriser dans l’espace et dans le temps pour intensifier les transferts. Elles sont menées en utilisant des méthodologies d’identification, de contrôle, et des métrologies fines. Les verrous scientifiques sont liés aux caractérisations et modélisations entre les différentes échelles, aux transferts aux interfaces, et au couplage entre les transferts et les transformations physico-chimiques dans les milieux multiphasiques. Nous développons une démarche scientifique commune fondée sur une approche expérimentale fine qui s’appuie sur un savoir faire reconnu, ainsi que sur l’analyse, la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques, le contrôle de processus ou de propriétés physiques. Les activités sont assez équilibrées entre recherche fondamentale, intégration des préoccupations sociétales, et recherche finalisée.

Intitulé du doctorat

Doctorat de Sciences de l'Ingénieur

Pays d'obtention du doctorat

France

Etablissement délivrant le doctorat

Nantes Université

Ecole doctorale

Science de l'Ingéniérie et des Systèmes

Profil du candidat

Le candidat devra être titulaire d'un diplôme de niveau Master ou équivalent dans une formation comprenant une part importante consacrée à la mécanique des fluides et à aux transferts thermiques. Les bases devront être solides, à la fois sur les aspects théoriques, expérimentaux et dans une moindre mesure numérique.

Il devra faire la preuve, par ses expériences (stages...) de son aptitude à travailler sur des sujets expérimentaux liés à ces thématiques.

Une expérience en traitement du signal, en traitement d'image ou en modélisation physique serait un plus.

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