Essais & Simulations n°127

mesures innovation

mesures innovation capteur de mesure du coefficient d’échange convectif entre un écoulement et une paroi le Cea et la société Kayme ont développé un capteur appelé « coef h ». Ce capteur est conçu pour mesurer en local, dans les écoulements turbulents, les caractéristiques thermiques de l’échange convectif en paroi avec une grande dynamique. des micro-thermocouples sont insérés et soudés dans le corps du capteur et un thermocouple mesure la température de l’écoulement. un algorithme spécifique basé sur une méthode de conduction inverse traite les mesures de températures et détermine le flux de chaleur, la température pariétale et le coefficient d’échange. les caractéristiques thermiques de l’échange sont proposées en représentations temporelle et spectrale. Ce document décrit la conception du capteur, son champ d’application dans l’industrie pour les différents secteurs d’activités. Les caractéristiques des transferts thermiques entre un écoulement et une paroi ne peuvent pas toujours être estimées par calcul avec des corrélations d’échange, qui sont en général limitées à des applications simples, en régime permanent non fluctuant, avec des fluides homogènes, assez loin des réelles applications de l’industrie. C’est précisément pour répondre à un cas particulier que le CEA a conçu un capteur appelé « coef h » pour étudier les chargements thermiques en paroi dans les structures où siègent des zones de mélanges en régime turbulents à grand écart de température. L’objectif a été de développer un outil capable de mesurer expérimentalement les flux thermiques, les fluctuations de température, et le coefficient d’échange dans un composant de type té de mélange avec une grande dynamique. L’acquisition de ces paramètres constitue la source d’entrée pour effectuer les calculs mécaniques avec des données thermiques précises et évaluer la tenue à la fatigue des composants. La connaissance du coefficient d’échange est essentielle dans l’amélioration des systèmes existants, pour l’aide à la conception, pour la qualification et la mesure de performance post-conception. Dans une démarche de valorisation, ce capteur breveté par le CEA avec son algorithme de résolution peut également s’appliquer à d’autres problématiques thermiques, sa forme et son gabarit peuvent être adaptatifs. La société Kayme assure la conception en fonction d’un cahier des charges du client, l’adaptation à l’application, la fabrication et la distribution commerciale. présentation du capteur coef h et de son algorithme De très petite taille (∅ 6 mm et 8 mm de hauteur) (Figure 1 et Figure 2), il est Le capteur « coef h » avec son système de fixation – vue de la face active équipé de 3 micro-thermocouples (∅ 25 µm) soudés à l’intérieur du corps de mesure (cellule de flux) pour acquérir la température à différentes distances de la paroi et d’un thermocouple externe (∅ 0,3 mm) qui mesure la température dans l’écoulement. Le matériau constitutif des éléments du capteur est identique à la paroi réceptrice support, limitant ainsi les flux parasites transverses. Un algorithme de conduction inverse basé sur la loi de Fourier (milieux semi-infinis) utilise un maillage de 160 éléments et permet de remonter au flux de chaleur q(t) et à la température pariétale Tp(t). À l’aide de Le capteur « coef h » avec son système de fixation – vue de profil 36 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 127 • Janvier-Février 2017

mesures la mesure de température dans l’écoulement Tf(t), le coefficient d’échange est déterminé en représentation temporelle ou selon trois méthodes de représentation spectrale. Le temps de réponse des micro-thermocouples de 30 µs offre une dynamique très élevée. Les distances des micro-thermocouples sont mesurées avec précision (vernier et mesure sous binoculaire : Tolérance 5 µm) à respectivement 300 µm, 1 400 µm et 2 500 µm pour le troisième. L’incertitude de la mesure du coefficient d’échange est de l’ordre de 4 %, elle est directement liée à la connaissance précise des distances à la paroi. Le thermocouple dans l’écoulement, dimensionné à 0,3 mm pour un compromis robustesse mécanique/performance thermique permet un temps de réponse sans atténuation jusqu’à 20 Hz bien au-delà de la gamme des fluctuations thermiques. Il mesure à environ 2 mm la température légèrement au-delà de la couche limite proche de la vitesse débitante de l’écoulement. Le coefficient d’échange est le paramètre dimensionnant pour les transferts de chaleur des écoulements vers une paroi. En conception sa connaissance est déterminante pour le dimensionnement des échangeurs. Sur un appareil existant, il permet de caractériser les performances du transfert thermique. Le capteur coef h peut précisément mesurer ce paramètre et apporter son concours dans de nombreuses activités de l’industrie : aide à la conception et au dimensionnement, caractérisation d’un échange, qualification sur matériel existant et amélioration ou encore suivi et process de fonctionnement (exemple : mesure et suivi de l’encrassement). Dans les problèmes usuels rencontrés par l’ingénieur, le coefficient d’échange peut être déterminé avec des corrélations basées sur le calcul du nombre de Reynolds, du Nusselt, et du Prandtl. Ces corrélations sont calculées avec des paramètres (vitesse du fluide, viscosité) qui sont souvent inconnus localement dans les applications industrielles. applications Capteur coef h dans une paroi – position des Thermocouples P1, P2, P3 et Tf Exemple de coefficient d’échange (normalisé) dans un mélange pour 2 valeurs de Reynolds en représentation spectrale Dans de nombreux cas, il est impossible d’estimer correctement le coefficient d’échange, les corrélations étant inadaptées. Le recours à la mesure est indispensable dans les cas : de mélange de fluides de nature différente, de fluides de même nature mais à température différente, de fluides en diphasiques, de fluides chargés de particules ou de singularités géométriques générant des grosses structures turbulentes dans le fluide. Tous ces domaines représentent les cas d’application du capteur « coef h » où il apporte expérimentalement et localement une réponse précise avec une grande dynamique. Ce petit capteur non intrusif, qui se comporte fidèlement un peu comme un caméléon est au cœur des transferts d’énergie entre un écoulement et une paroi qui constitue une des préoccupations des industriels toujours à la recherche d’une meilleure efficacité pour leurs appareils. ● Olivier Braillard – Ingénieur chercheur (CEA Cadarache – DEN/DTN/STCP/LHC 13108 Saint- Paul-Lez-Durance – olivier.braillard@cea.fr) Jean-Marie Pinquier – Directeur de la société Kayme (KAYME – 6, rue Georges-Guynemer 78280 Guyancourt – jean-marie.pinquier@kayme.eu) ESSAIS & SIMULATIONS • N° 127 • Janvier-Février 2017 I37