Published December 14, 2018 | Version v1
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Shape optimization of multi-scales and multi-physics problems: application to heat exchangers

Description

Heat exchangers are used in many industrial applications. Optimizing their performances is a key point to improve energy efficiency. Heat exchanger behaviour is a multi-scale issue where local scale enhancement mechanisms coexist with global scale distribution ones. It is also multi-physics such as fluid mechanics, heat transfer and fouling phenomenons appear. The present work deals with multi-objective shape optimization of heat exchanger. The proposed method is sufficiently robust to address multi-scale and multi-physics issues and allows industrial applications. Heat exchanger performances are evaluated using computational fluid dynamics (CFD) simulations and global methods (ε-NUT). The optimization tools are a genetic algorithm coupled with kriging-based meta modelling. Clustering and Self-Organizing Maps (SOM) are used to analyse the optimization results. A meta-model builds an approximation of a simulator response (CFD) whose evaluation cost is reduced to be used with the genetic algorithm. Kriging can address discontinuities or perturbations of the response by introducing a nugget effect. Adaptive sampling is used to built cheap and precise approximation. The present optimization method is applied to different configurations which are representative of the heat exchanger behaviour for both multi-scale and multi-physics (fouling) aspects. Results show that meta-modelling is a key point of the method, ensuring the robustness and the versatility of the optimisation process. Also, it allows to built correlations of the local scale used to determine the global performances of the heat exchanger. Clustering and SOM highlight a finite number of shapes, which represent a compromise between antagonist objective functions, directly usable in an industrial context. (author)

Abstract (French)

Les echangeurs de chaleur sont utilises dans de nombreux secteurs industriels. L'optimisation de leurs performances est donc de premiere importance pour reduire la consommation energetique. Le comportement d'un echangeur est intrinsequement multiechelle: l'echelle locale de l'intensification des phenomenes de transfert thermique cotoie une echelle plus globale ou interviennent des phenomenes de distribution de debit. Un echangeur de chaleur est egalement le siege de differents phenomenes physiques, tels que la mecanique des fluides, la thermique et l'encrassement. Les presents travaux proposent une methode d'optimisation multiobjectif de la forme des echangeurs, robuste, pouvant traiter les aspects multiechelles et multiphysiques et applicable dans un contexte industriel. Les performances de l'echangeur sont evaluees par des simulations de mecanique des fluides numerique (CFD) et par des methodes globales (ε-NUT). Suite a une etude bibliographique, une methode de metamodelisation par krigeage associee a un algorithme genetique ont ete retenus. Des methodes de visualisation adaptees (clustering et Self-Organizing Maps) sont utilisees pour analyser les resultats. Le metamodele permet d'approcher la reponse d'un simulateur (CFD) et d'en fournir une prediction dont l'interrogation est peu onereuse. Le krigeage permet de prendre en compte une discontinuite et des perturbations de la reponse du simulateur par l'ajout d'un effet de pepite. Il permet egalement l'utilisation de strategies d'enrichissement construisant des approximations precises a moindre cout. Cette methode est appliquee a differentes configurations representatives du comportement de l'echangeur, permettant de s'assurer de sa robustesse lorsque le simulateur change, lorsque l'aspect multiechelle est pris en compte ou lorsque une physique d'encrassement est consideree. Il a ete etabli que l'etape de metamodelisation assure la robustesse de la methode et l'integration de l'aspect multiechelle. Elle permet aussi de construire des correlations a l'echelle locale qui sont ensuite utilisees pour determiner les performances globales de l'echangeur. Dans un contexte industriel, les methodes d'analyse permettent de mettre en evidence un nombre fini de formes realisant un compromis des fonctions objectif antagonistes

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Original title (French)
Optimisation de forme numerique de problemes multiphysiques et multiechelles: Application aux echangeurs de chaleur

Publishing Information

Imprint Pagination
324 p.
Report number
FRCEA-TH--10939

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
51056608
Subject category
S42: ENGINEERING;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
ALGORITHMS; COMPUTERIZED SIMULATION; COST; FLUID MECHANICS; FRICTION FACTOR; HEAT EXCHANGERS; HEAT TRANSFER; KRIGING; OPTIMIZATION; PERFORMANCE; PHYSICAL PROPERTIES; SIZE; THERMAL HYDRAULICS; TURBULENCE
Descriptors DEC
DIMENSIONLESS NUMBERS; ENERGY TRANSFER; FLUID MECHANICS; HYDRAULICS; MATHEMATICAL LOGIC; MATHEMATICS; MECHANICS; SIMULATION; STATISTICS

Optional Information

Notes
279 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Also available from Bibliotheque Michel Serres, 36 Avenue Guy de Collongue, 69134 Ecully (France)