Développement de formulations éléments finis 3D en potentiel vecteur magnétique : application aux machines asynchrones en mouvement

Electric machines are modeled in order to predict their performance and to optimize their output. This modeling can be done by simulation with the finite element method. In particular, induction machines require 3D simulation to take into account eddy currents and coils overhangs. In the Flux® software, 3D formulations based on magnetic scalar potential has been used with success for many years. Nevertheless, artificial mathematical cuts are necessary, when the domain is not simply connected.In order to avoid connection constraints, magnetic vector potential formulations have been studied and developed. In 3D, their implementation requires the use of edge elements to respect the nature of fields. With edge elements, formulations are generally solved with a gauge condition for direct solvers as well as for iterative solvers. New auto-gauged magnetic vector potential formulations have been developed to take into account meshed coils and non-meshed coils. Consideration of movement is relatively simple to implement for magnetic scalar potential formulations with nodal interpolation. With edge elements, the interpolation is more delicate. For this reason, the mortar method has been developed to take into account movement in a general case.Les machines électriques sont modélisées pour prédire leurs performances et optimiser leur rendement. Cette modélisation peut être faite par des simulations avec la méthode des éléments finis. En particulier, les machines asynchrones nécessitent des simulations 3D pour prendre en compte les courants de Foucault et les têtes de bobines. Dans le logiciel Flux®, des formulations 3D basées sur le potentiel scalaire magnétique sont utilisées avec succès depuis de nombreuses années. Néanmoins, des coupures mathématiques artificielles sont nécessaires, lorsque le domaine n'est pas simplement connexe.Afin de se libérer de ces contraintes de connexité, des formulations en potentiel vecteur magnétique ont été étudiées et développées. En 3D, leur mise en œuvre nécessite l'utilisation d'éléments finis d'arêtes afin de respecter la nature des champs. Avec les éléments d'arêtes, les formulations sont généralement résolues avec une condition de jauge pour les solveurs directs comme pour les solveurs itératifs. De nouvelles formulations en potentiel vecteur magnétique auto-jaugées ont été développées permettant la prise en compte des bobines maillées et des bobines non maillées. La prise en compte du mouvement est relativement simple à mettre en œuvre pour les formulations en potentiel scalaire magnétique avec l'interpolation nodale.Avec les éléments d'arête, l'interpolation est plus délicate. C'est pourquoi la méthode des éléments avec joints a été développée pour prendre en compte le mouvement dans un cas général

Intensification of heat-transfer and mixing in heat exchanger-reactors by artificially generated streamwise vortices

International audienceCompact heat exchangers are well known for their ability to transfer a large amount of heat while retaining low volume and weight. The purpose of this paper is to study the potential of using this device as a mixer as well as a chemical reactor, generally called a multifunctional heat exchanger (MHE). Indeed, the question arises: can these geometries combine heat transfer and mixing in the same device? Such a technology would offer many potential advantages, such as better reaction control (through the thermal aspect [S. Ferrouillat, P. Tochon, H. Peerhossaini, D. Della Valle, Open-loop thermal control of exothermal chemical reactions in multifunctional heat exchangers, Int. J. Heat Mass Transfer, in press]), improved selectivity (through intensified mixing, more isothermal operation and shorter residence time, and sharper residence time distribution (RTD)), byproduct reduction, and enhanced safety.Several geometries of compact heat exchanger based on turbulence generation are available. This paper focuses on one type: vortex generators. The main objective is to contribute to the determination of turbulent flow inside various geometries by computational fluid dynamics methods. These enhanced industrial geometries are studied in terms of their thermal-hydraulic performance and macro-/micro-mixing ability [S. Ferrouillat, P. Tochon, H. Peerhossaini, Micromixing enhancement by turbulence: application to multifunctional heat exchangers, Chem. Eng. Process., in press]. The longitudinal vortices they generate in a channel flow turn the flow perpendicular to the main flow direction and enhance mixing between the fluid close to the fin and that in the middle of the channel. Two kinds of vortex generators are considered: a delta winglet pair and a rectangular winglet pair. For both, good agreement is obtained between numerical results and data in the literature. The vortex generator concept is found to be very efficient in terms of heat-transfer enhancement and macro-mixing. Nevertheless, the micro-mixing level is poor due to strong inhomogeneities: the vortex generator must be used as a heat-transfer enhancement device or as a static mixer for macro- and meso-mixing

Heat exchanger/reactors (HEX reactors): Concepts, technologies: State-of-the-art

Process intensification is a chemical engineering field which has truly emerged in the past few years and is currently rapidly growing. It consists in looking for safer operating conditions, lower waste in terms of costs and energy and higher productivity; and away to reach such objectives is to develop multifunctional devices such as heat exchanger/reactors for instance. This review is focused on the latter and makes a point on heat exchanger/reactors. After a brief presentation of requirements due to transposition from batch to continuous apparatuses, heat exchangers/reactors at industrial or pilot scales and their applications are described

Influence of Nanoparticle Shape Factor on Convective Heat Transfer of Water-Based ZnO Nanofluids. Performance Evaluation Criterion

The convective heat transfer of ZnO/water colloidal suspensions is investigated experimentally to appreciate the influence of two shapes of nanoparticles. Pressure drop and heat transfer coefficients have been measured at two different inlet temperatures (20, 50°C) in heating and/or cooling conditions at various flow rates (200 \u3c Re \u3c 15,000). The Reynolds and Nusselt numbers have been determined by using thermal conductivity and viscosity measured in the same conditions as those in tests. The results obtained are compared with classical correlations. An energetic Performance Evaluation Criterion (PEC) has been defined to compare heat transfer rate to pumping power

Intensification des transferts de chaleur par convection forcée en conduite de section carrée avec des ferrofluides

Cet article présente une investigation expérimentale de l'étude du transfert de chaleur au sein d'un ferrofluide en convection forcée à flux thermique imposé sous champ magnétique. Le régime d'écoulement étudié est essentiellement laminaire (250 < Re <830). La géométrie du canal de test est carrée, ce qui nous permet d'étudier l'influence de la direction du champ par rapport à celle du flux de chaleur. Les résultats obtenus nous montrent une meilleure intensification des transferts thermiques de plus de 80% dans le cas où le champ magnétique est perpendiculaire au flux de chaleur.</p

A review on the heat and mass transfer phenomena in nanofluid coolants with special focus on automotive applications

Engineered suspensions of nanosized particles (nanofluids) are characterized by superior thermal properties. Due to the increasing need for ultrahigh performance cooling in many industries, nanofluids have been widely investigated as next-generation coolants. However, the multiscale nature of nanofluids implies nontrivial relations between their design characteristics and the resulting thermo-physical properties, which are far from being fully understood. This pronounced sensitivity is the main reason for some contradictory results among both experimental evidence and theoretical considerations presented in the literature. In this Review, the role of fundamental heat and mass transfer mechanisms governing thermo-physical properties of nanofluids is assessed, from both experimental and theoretical point of view. Starting from the characteristic nanoscale transport phenomena occurring at the particle-fluid interface, a comprehensive review of the influence of geometrical (particle shape, size and volume concentration), physical (temperature) and chemical (particle material, pH and surfactant concentration in the base fluid) parameters on the nanofluid properties was carried out. Particular focus was devoted to highlight the advantages of using nanofluids as coolants for automotive heat exchangers, and a number of design guidelines was suggested for balancing thermal conductivity and viscosity enhancement in nanofluids. This Review may contribute to a more rational design of the thermo-physical properties of particle suspensions, therefore easing the translation of nanofluid technology from small-scale research laboratories to large-scale industrial applications

Development of 3D finite element formulations in magnetic vector potential : application to induction machine in movement

Les machines électriques sont modélisées pour prédire leurs performances et optimiser leur rendement. Cette modélisation peut être faite par des simulations avec la méthode des éléments finis. En particulier, les machines asynchrones nécessitent des simulations 3D pour prendre en compte les courants de Foucault et les têtes de bobines. Dans le logiciel Flux®, des formulations 3D basées sur le potentiel scalaire magnétique sont utilisées avec succès depuis de nombreuses années. Néanmoins, des coupures mathématiques artificielles sont nécessaires, lorsque le domaine n'est pas simplement connexe.Afin de se libérer de ces contraintes de connexité, des formulations en potentiel vecteur magnétique ont été étudiées et développées. En 3D, leur mise en œuvre nécessite l'utilisation d'éléments finis d'arêtes afin de respecter la nature des champs. Avec les éléments d'arêtes, les formulations sont généralement résolues avec une condition de jauge pour les solveurs directs comme pour les solveurs itératifs. De nouvelles formulations en potentiel vecteur magnétique auto-jaugées ont été développées permettant la prise en compte des bobines maillées et des bobines non maillées. La prise en compte du mouvement est relativement simple à mettre en œuvre pour les formulations en potentiel scalaire magnétique avec l'interpolation nodale.Avec les éléments d'arête, l'interpolation est plus délicate. C'est pourquoi la méthode des éléments avec joints a été développée pour prendre en compte le mouvement dans un cas général.Electric machines are modeled in order to predict their performance and to optimize their output. This modeling can be done by simulation with the finite element method. In particular, induction machines require 3D simulation to take into account eddy currents and coils overhangs. In the Flux® software, 3D formulations based on magnetic scalar potential has been used with success for many years. Nevertheless, artificial mathematical cuts are necessary, when the domain is not simply connected.In order to avoid connection constraints, magnetic vector potential formulations have been studied and developed. In 3D, their implementation requires the use of edge elements to respect the nature of fields. With edge elements, formulations are generally solved with a gauge condition for direct solvers as well as for iterative solvers. New auto-gauged magnetic vector potential formulations have been developed to take into account meshed coils and non-meshed coils. Consideration of movement is relatively simple to implement for magnetic scalar potential formulations with nodal interpolation. With edge elements, the interpolation is more delicate. For this reason, the mortar method has been developed to take into account movement in a general case

Étude du micro-mélange pour la caractérisation des performances d'échangeurs-réacteurs compacts multifonctionnels

Ce travail a pour objectif la caractérisation des différents paramètres nécessaires à l'optimisation et au dimensionnement d'un échangeur-réacteur compact multifonctionnel et l'élaboration d'une méthodologie pour le dimensionnement de ce dernier. L'utilisation d'un échangeur de chaleur en tant que réacteur chimique constitue une évolution importante vers une nouvelle approche des procédés chimiques. Afin de répondre aux contraintes de fonctionnement, il est nécessaire d'avoir une connaissance précise des phénomènes régissant les transferts de matière et de chaleur. Par conséquent, une étude thermo-hydrodynamique ainsi qu'une étude du micro-mélange, basée sur une méthode physico-chimique, ont été réalisées afin de comparer les performances de transfert de matière et de chaleur des différentes géométries étudiées. La base de données établie lors de ces études et une modélisation du procédé a permis d'élaborer une méthodologie pour le dimensionnement d'un échangeur-réacteur.Various design parameters of compact heat exchanger-reactors have been characterized in order to develop a new methodology for their design and optimization. The use of compact heat exchanger as a chemical reactor constitutes a significant break trough towards a new approach of chemical processes. In order to answer the compelling operation requirements, heat and mass transfer phenomena must be precisely investigated. Therefore, by using an original physico-chemical method, micro-mixing and thermo-hydraulics of turbulent flows have been studied to compare heat and mass transfer performance of selected geometries. Based on the results of this study a substantial data base is built. Using this database a novel process modeling has led to a creative design of future compact heat-exchanger reactors.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF