L’institut von Karman dans le projet Cleansky2 Nathena

Mis en œuvre en 2018 sur base d'un sujet proposé par Liebherr, et par un consortium de quatre partenaires, Sogeclair aerospace, AddUp, Temisth, et l’institut von Karman de Dynamique des fluides, le projet Cleansky2 Nathena, pour « New Additive manufacTuring Heat ExchaNger for Aeronautic », se conclura l'année prochaine par le développement de deux échangeurs de chaleur innovants pour le domaine de l’aéronautique. Nathena est doté d’un budget total de 1,5 million d’euros est financé à 100% par la Commission européenne.

L’un des échangeurs développés sera un « pre-cooler », permettant de pré-refroidir de l’air chaud directement prélevé dans les turbomoteurs d’un avion de ligne. Le second est un « cooler », situé plus en aval dans la chaîne de conditionnement de l’air de l’avion, permettant de refroidir de nouveau l’air pour une utilisation ultérieure. Par leur positionnement, le pre-cooler sera conçu en Inconel 718 car soumis à des températures très élevées, tandis que le cooler sera conçu en Aluminium AlSi7Mg, étant confronté à des températures adaptées à cet alliage. L’ambition du projet est de concevoir des échangeurs de chaleur aussi performants que les existants mais pour une masse et un volume réduits.

La première étape du projet Nathena a été de constituer un état des lieux des échangeurs thermiques d’un point de vue design, simulation numérique, optimisation, essais sur banc et des techniques de fabrication associées. S’appuyant sur les précédents travaux, le démarrage des études techniques a abouti à la cocréation des premières CAO (Conception Assistée par Ordinateur) par l’équipe projet (Temisth pour la conception thermique, Sogeclair aerospace pour la conception mécanique, et AddUp pour la fabricabilité des pièces) de nouvelles structures d’intensification. Le but était d’estimer leurs performances d’un point de vue fabrication, comportements mécanique, fluidique et thermique afin de sélectionner les géométries les plus prometteuses. Ces dernières ont ensuite été intégrées dans des canaux d’essais normalisés qui ont été imprimés en Inconel et en Aluminium sur une FormUp 350 de AddUp. Ces canaux ont ensuite été testés thermiquement sur un banc d’essai conçu et exploité par le VKI.  Les résultats expérimentaux ont ensuite été corrélés avec les simulations numériques réalisées par Temisth.

Cette étude sur les canaux représentatifs a permis de sélectionner la structure d’intensification offrant le meilleur compromis entre les performances mécaniques, fluidiques, thermiques et la fabricabilité. Elle a débouché ensuite sur une campagne d’essais similaires mettant en jeu cette fois-ci deux fluides chaud et froid. Il s’agit ici de caractériser les performances de la géométrie choisie dans un échangeur de chaleur miniature où la source chaude n’est plus une résistance électrique, mais un flux d’air chaud. La configuration des canaux sera ici une configuration croisée.

Grâce à une méthode d’homogénéisation, ces caractérisations thermo fluidiques ont permis la création de métamatériaux (« Milieux Poreux Equivalents » ou MPE à propriétés volumiques équivalentes) qui permettent de simplifier les simulations numériques en allégeant les modèles et en réduisant les temps de calcul. Un pendant côté mécanique a également été réalisé en corrélant des simulations numériques avec des essais d’éprouvettes en traction, elles aussi produites en Inconel 718 et en Aluminium AlSi7Mg. La corrélation entre essai de traction et simulation permettra la détermination d’un milieu homogène qui simplifiera par la suite les calculs thermomécaniques.

Au moment de l’écriture de ces lignes, le design des deux échangeurs thermiques finaux a débuté en se basant sur les spécifications de Liebherr Aerospace. Ils seront destinés à être simulés numériquement, produits et testés sur banc afin de valider leurs performances.

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