Outil d’analyse thermique : Avantages et applications

L’analyse thermique est un aspect important du design moderne. De nombreux fluides, matériaux et structures ont des caractéristiques dépendantes de la température qui influent sur la résistance, la performance ou le confort thermique dans leur conception. Qu’il s’agisse de tester un nouveau produit, d’optimiser les performances de l’électronique ou d’évaluer le confort thermique d’un bâtiment, la chaleur – et plus précisément la surchauffe – est une préoccupation majeure pour de nombreux ingénieurs. Pour cette raison, un outil d’analyse thermique est utilisé dans les premières étapes de conception de la plupart des applications.

Logiciel d’analyse thermique : Par où commencer ?

Les simulations thermiques sont principalement utilisées pour le contrôle de la qualité, la recherche et le développement et l’analyse des défaillances des produits physiques. Elle peut aussi servir à évaluer les matériaux – nouveaux ou existants – pour voir comment ils se comporteront à différentes températures ou avec de nouvelles méthodes de production – la fabrication additive en est un exemple. L’analyse thermique comprend également l’analyse des fluides ainsi que le transfert de chaleur par l’intermédiaire d’un fluide. Par exemple, un logiciel d’analyse thermique peut aider à montrer comment l’air chaud ou froid affecte le confort thermique dans un espace intérieur, ou à étudier comment il est transféré dans une carte de circuit imprimé (PCB) et comment il affecte les composants délicats. Il existe de nombreux types d’analyses thermiques, alors comment savoir de quel type vous avez besoin ? Une façon de décomposer les types de simulations thermodynamiques disponibles est de considérer ce que vous étudiez ; les solides, les fluides, ou les deux.

Tester les solides : Analyse structurelle thermique avec analyse par éléments finis

La plupart des défaillances auraient pu être évitées pendant la phase de conception, et la plupart du temps, cela est dû à la façon dont le produit ou le matériau réagit aux sources de chaleur. Cristallisation, fusion, expansion ou retrait ; certains résultats de températures extrêmement élevées ou basses peuvent provoquer des réactions dramatiques dans les matériaux, et donc provoquer la rupture, le flambage ou la déformation des produits.

Pour éviter cela, les solides peuvent être testés thermiquement par simulation thermomécanique. Dans les solides, une analyse du transfert de chaleur par conduction peut révéler, entre autres, les champs de température plus élevés et plus bas, comment un matériau conduit ou isole la chaleur, comment le solide réagit à la charge thermique ou comment une charge de pression accrue provoque des changements de température du solide. Ces effets peuvent être étudiés au moyen d’une analyse à l’état d’équilibre ou d’une analyse transitoire si l’on teste les effets dépendants du temps. Comprendre ces aspects aide à concevoir un produit qui est sûr, fiable, durable et très performant, dans les températures et les conditions pour lesquelles il a été créé.

Cette analyse thermomécanique transitoire, statique, non linéaire et découplée d’un robinet à soupape montre la distribution des températures et des contraintes à différents intervalles d’intérêt.

LOGICIEL D’ANALYSE THERMIQUE

Analyse du débit de fluide : Transfert de chaleur par convection

À l’aide d’un outil d’analyse thermique, vous pouvez également simuler comment l’énergie thermique est transportée sur un fluide. Ceci montre comment le transfert de chaleur est obtenu par le mouvement des particules dans les fluides et les gaz qui sont classés comme transfert de chaleur par convection. La convection dépend principalement de la température ambiante du fluide ou du gaz et de leur mouvement. Prenons, par exemple, la ventilation mécanique ou forcée. Si vous soufflez mécaniquement de l’air froid dans une pièce, l’air chaud sera évacué par une sortie. Cela est dû à la densité de l’air à différentes températures.

Un autre exemple est la ventilation naturelle ou passive. Un phénomène courant souvent simulé dans ce type d’analyse est l’effet de cheminée, où les différences entre les pressions d’air interne et externe provoquent l’extraction de l’air d’un bâtiment. La ventilation par cheminée n’est qu’un des nombreux sujets de simulation des flux d’air et de la chaleur qui sont à l’origine de la tendance de la CFD dans le secteur HVAC. Une analyse du transfert de chaleur par convection est utile pour les ingénieurs et les concepteurs qui cherchent à simuler l’extraction de la fumée ou à créer le meilleur confort thermique possible grâce à un système CVC dans un environnement intérieur. Les différences de température entre les surfaces et la température ambiante provoquent le déplacement des particules d’air chaud et donc le transfert de chaleur. À l’aide d’un simulateur de chaleur, un concepteur peut identifier la quantité de transfert de chaleur qui est habituellement calculée comme la température de surface moins la température ambiante.

Dans cet exemple de CVC, vous pouvez voir comment la convection est simulée pour analyser les conditions de confort thermique dans un bâtiment scolaire.

Transfert de chaleur conjugué : Outil d’analyse thermique des solides et des fluides

Le transfert de chaleur conjugué de type analyse (CHT) permet de simuler le transfert de chaleur entre les domaines solide et fluide en échangeant de l’énergie thermique au niveau des contacts entre eux. Par exemple, l’eau chaude qui s’écoule dans un tuyau de cuivre peut faire chauffer le cuivre, ou l’air refroidi qui recouvre un objet chauffé peut aider l’objet à se refroidir. Le transfert de chaleur conjugué est particulièrement utile pour le refroidissement électronique, les échangeurs de chaleur ou le refroidissement des centres de données. Les dissipateurs thermiques, par exemple, sont importants pour la performance de nombreuses applications électroniques et sont souvent simulés pour s’assurer qu’ils gardent l’électronique qu’ils supportent suffisamment froide pour fonctionner correctement.

Considérations supplémentaires concernant le rayonnement

Le rayonnement est un phénomène intéressant de transfert de chaleur car il ne nécessite pas de milieu. Le rayonnement est le transfert d’énergie par ondes électromagnétiques. Lorsque cette énergie a un impact sur la matière, elle génère de la chaleur. Le rayonnement est particulièrement important à des températures plus élevées et est donc souvent utilisé pour des applications telles que l’analyse thermique extérieure, le transfert de chaleur solaire ou l’électronique haute température. L’activation du rayonnement dans les simulations pour ces types de produits permettra d’inclure l’émissivité de surface dans les calculs et vos résultats pourront fournir une estimation plus précise de la façon dont le produit réagira une fois en service.

Avantages généraux et conclusion

Selon le type d’analyse thermique dont vous avez besoin, vous pouvez ensuite décider si vous avez besoin d’une analyse par éléments finis ou par volumes finis. La différence entre les deux concerne le maillage de votre modèle de conception avant de commencer la simulation. Dans le cas de la CFD, qui est principalement utilisée pour la convection, l’intérêt variable est stocké au centre du domaine de volume ou de flux. C’est ce qu’on appelle l’analyse en volume fini. Dans le cas des simulations portant sur les solides, comme l’analyse thermomécanique ou l’analyse structurale, la variable d’intérêt testée est placée au cœur de chaque élément node-fini. Jetez un coup d’oeil à cette vidéo pour plus d’informations. L’utilisation d’un logiciel d’analyse thermique révèle les propriétés comportementales des produits et des conceptions sous charge thermique, contrainte ou vitesse afin de vous permettre de prendre des décisions éclairées. Sur la base des résultats de la simulation, vous devriez alors être en mesure d’assurer une meilleure efficacité, performance et/ou fiabilité dans votre itération de conception finale.