Modélisation multiphysique des régénérateurs magnétocaloriques

Multiphysic modeling of magnetocalorics regenerators

• Auteur / Autrice : Antony Plait
• Direction : Philippe Nika, Christophe Espanet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 25/11/2014
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Énergie

Mots clés

Mots clés libres

Réfrigération magnétique

Effet magnétocalorique

Modélisation multiphysique

Optimisation

Magnetic refrigeration

Magnetocaloric effect

Multiphysic modeling

Optimization

Résumé

Le département ÉNERGIE de l’Institut FEMTO-ST développe depuis quelques années des recherches autour de la production de froid et chaud à haut rendement grâce aux propriétés magnétocaloriques à température ambiante de certains matériaux. L’objectif initial de la thèse était donc de poursuivre les travaux liés à la modélisation du régénérateur, notamment en exploitant au maximum, et éventuellement en améliorant, le code de calcul et le banc expérimental original développés dans le cadre de la thèse d’Amine Mira. Le code de calcul original repose sur une simulation magnétique numérique 3D par éléments finis couplée à un modèle thermique par différences finies. Ce sujet, théorique et relativement amont, a toutefois des développements possibles pour alimenter, en modèles et en analyses, la conception de dispositifs concrets en relation avec des partenaires industriels, mais il ne nécessite pas d’investissements particuliers puisque le banc expérimental est déjà disponible et exploitable au début de la thèse. Plus précisément, les objectifs scientifiques sont : • une meilleure compréhension physique et une meilleure modélisation du dispositif, notamment les interactions et couplages entre les phénomènes thermofluidiques de convection et les phénomènes magnétocaloriques intervenant dans le régénérateur ; • la recherche du bon niveau de couplage et de modélisation (en essayant différents modèles de granulométries différentes) ⇒ il s’agit là à la fois de problèmes physiques mais aussi de problèmes numériques (temps de calcul versus précision de modélisation) ; • l’évaluation des performances maximales des régénérateurs, en fonction des matériaux magnétocaloriques utilisés, du fluide caloporteur, de la géométrie et de la composition du régénérateur, de paramètres ‘systèmes’ tels que le débit, la fréquence, le taux de balayage, les températures des sources, les échangeurs aux extrémités du régénérateur…, et ce dans un objectif d’optimiser les régénérateurs ; • la définition de critères physiques spécifiques permettant de caractériser les efficacités thermodynamiques, énergétiques et exergétiques des machines magné- tocaloriques en fonction de leur constitution interne et de leur usage final (réfrigé-ration, climatisation, pompe à chaleur) ; et finalement la définition la plus précise possible des potentialités actuelles et à venir des dispositifs magnétocaloriques dans la production de chaud et de froid.

For several years the ENERGY department of the FEMTO-ST Institute has been carrying out its research activity on high-efficiency production of hot and cold using magnetocaloric properties of certain materials at room temperature. The initial objective of my/this PhD project was therefore to continue and widen/improve the work related to the modeling of the regenerator, particularly the calculation code and the original experimental test bench, developed within the framework of the PhD thesis of Amine Mira. The original calculation code is based on a finite element 3D digital magnetic simulation coupled with a finite difference thermal model. This subject has different possible development branches. However, basing on existent experimental bench, in this work the following research activities have been carried out: • the improvement of physical understanding and modeling of the existing device, including mutual interactions and coupling between thermofluidic convection and magnetocaloric phenomena occurring in the regenerator; • the determination of the right level of coupling and modeling (by putting to a test different granulometries models); This point depends on both physical problems but also on numerical problems, such as computation time versus modeling precision; • the evaluation of the maximum performances of the regenerators as function of the magnetocaloric properties of the used materials, the heat transfer fluid properties and behavior, the geometry and the composition of the regenerator, the system parameters such as flow rate, frequency, sampling rate, temperatures of the sources, exchangers at the ends of the regenerator..., with the aim of optimizing the regenerators; • the definition of specific physical criterias permitting to characterize the thermodynamic, energy and exergy efficiencies of magnetocaloric machines according to their configuration technic and their final application (refrigeration, air conditioning, heat pump); • and finally the most precise definition of the current and future application potentials of the magnetocaloric devices in the production of hot and cold.