Dimensionner un échangeur de chaleur ne demande pas de CFD. Les méthodes efficacité-NUT (ε-NTU) et DTLM donnent la performance globale rapidement et de façon fiable, une fois connues les caractéristiques d'échange thermique et de frottement de la surface [1]. Ces méthodes reposent sur l'expérience et, dans leur domaine de validité, sont plus fiables que la CFD. Voir la note sur les cas où la CFD est nécessaire.
La vraie question est de savoir où ce domaine s'arrête.
Les hypothèses silencieuses derrière ε-NTU
La méthode repose sur quelques hypothèses qui, dans les équipements industriels, ne tiennent fréquemment pas :
- L'écoulement se répartit également entre les canaux. En réalité, le dessin du collecteur rend la répartition inégale.
- Le coefficient d'échange est uniforme sur la surface. Dans la zone d'entrée et aux points de recollement, la valeur locale est un multiple de la moyenne.
- La famille de surface correspond à celle dont la corrélation est issue. Une géométrie d'ailette nouvelle ou un rapport pas-sur-hauteur inhabituel rompt cette hypothèse.
- L'encrassement est réparti uniformément. Il ne l'est pas ; il s'accumule dans les zones à faible vitesse.
Là où recourir à la CFD se justifie
Le problème de répartition. Voir comment l'écoulement se partage entre les canaux. Cela réduit directement la performance globale et c'est une chose que la corrélation ne voit pas du tout. Modifier la géométrie du collecteur pour améliorer la répartition achète de la performance bien moins cher que d'ajouter de la surface.
Géométrie de surface nouvelle. Extraire les caractéristiques j et f d'une ailette sans corrélation, en résolvant une cellule unitaire périodique. Il n'est pas nécessaire de résoudre l'appareil entier ; un seul motif répétitif suffit, et cela rend le calcul un ordre de grandeur moins cher.
Problèmes locaux. Volumes morts, risque de gel, gradients thermiques générant des contraintes, détachement tourbillonnaire excitant des vibrations. Rien de cela n'apparaît dans une valeur moyenne.
Comportement conjugué. Dans les appareils compacts où la conduction dans le solide rivalise avec la résistance côté fluide. Voir la note sur le transfert thermique conjugué.
Un enchaînement pratique
L'ordre est le suivant : dimensionner d'abord avec ε-NTU, puis éprouver par la CFD les hypothèses de ce dimensionnement. Si les deux diffèrent d'un ordre de grandeur, comprenez-en d'abord la raison — d'après notre expérience, l'erreur est généralement dans la mise en données CFD, non dans la corrélation.
Si vous extrayez une caractéristique de surface nouvelle, ce résultat n'est pas un calcul mais une donnée, et il doit être validé ; au minimum, appliquez la même méthode à une surface connue et comparez à une courbe j–f publiée. Voir la note sur vérification et validation.
Références
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605
- Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H. & Raad, P. E. (2008). Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, 130(7), 078001. DOI: 10.1115/1.2960953