Les caloducs pulsés ne sont plus une «boîte noire»
L’impact environnemental des avions utilisant des combustibles fossiles est considérable. L’UE s’est engagée à rendre l’aviation climatiquement neutre, et la transition vers des avions entièrement électriques est déjà en cours. Par ailleurs, de plus en plus d’avions électriques prennent leur envol. Comme quiconque possède un ordinateur portable peut en témoigner, les équipements électroniques génèrent de la chaleur et requièrent un système de gestion thermique efficace. Dans le cas de la propulsion hybride, l’intégration d’un nombre croissant de composants électriques accroît le besoin de refroidissement. Une configuration d’échangeur de chaleur non conventionnelle, le caloduc pulsé (également appelé caloduc oscillant), pourrait être la solution. Inventé au début des années 90, il est relativement simple, facile à fabriquer et très efficace pour gérer des flux de chaleur extrêmement élevés. Cependant, sa forme unique et son mode de fonctionnement engendrent des phénomènes physiques très complexes et il n’existait à ce jour aucun outil d’ingénierie permettant de simuler ses performances. Le projet PHP2, financé par l’UE, a permis de créer une vaste base de données de résultats et d’outils expérimentaux destinés à en améliorer la compréhension et à aider l’industrie dans la phase de préconception.
Les caloducs pulsés: une nouvelle orientation pour la gestion thermique
Les caloducs sont composés d’un tube contenant un fluide (eau ou réfrigérant) qui s’évapore lorsqu’il est chauffé par la source. Dans les caloducs classiques, la vapeur créée à la source de chaleur se déplace dans le tube et se condense à la source froide. Le liquide ainsi obtenu retourne ensuite à la source de chaleur par gravité ou par capillarité. La vapeur et le liquide empruntent des voies distinctes. Selon Gaëlle Mouret, coordinatrice du projet de Capgemini Engineering, «les caloducs pulsés sont des boucles de configuration sinusoïdale partiellement remplies de liquide et partiellement de vapeur. L’évaporation à la source de chaleur et la condensation à la source de froid se poursuivent, mais les bulles de vapeur et le liquide se mélangent. Le changement d’état du fluide crée des variations de pression hors équilibre à l’échelle microscopique, ce qui fait osciller les bulles». Faute d’outils permettant de simuler les performances, les acteurs industriels étaient bloqués dans leur démarche de conception. Ce n’est plus le cas aujourd’hui.
Des outils de modélisation complets à partir de données expérimentales complexes
Les caloducs pulsés ont été étudiés et développés principalement dans le cadre universitaire. La création de prototypes aboutis a constitué un véritable défi, de nombreuses conceptions initiales ayant d’ailleurs échoué. Au bout du compte, dix prototypes opérationnels ont servi de support à une vaste campagne expérimentale dont la base de données résultante a été utilisée pour développer et valider deux outils de préconception. Le modèle physique 1D de PHP2 permet une simulation détaillée du comportement dynamique des caloducs pulsés. Un calcul donné prend environ une heure. «En nous appuyant sur les résultats d’une vaste campagne expérimentale, nous avons créé un modèle mathématique réduit tirant parti de l’apprentissage automatique, entraîné à l’aide de la base de données expérimentale et validé à l’aide du modèle physique 1D. Avec 11 paramètres d’entrée, il calcule la performance d’un caloduc pulsé (c’est-à-dire sa résistance thermique) en moins d’une seconde avec une marge d’erreur d’environ 20 %, dépassant de loin notre objectif initial de 50 %», explique Gaëlle Mouret. L’utilisation de piles à combustible pour des avions plus électriques demandera une gestion thermique avancée. «Les caloducs pulsés constituent une technologie de refroidissement prometteuse pour des avions plus électriques. Les outils de préconception et la base de données expérimentale de PHP2 permettront de faire passer les caloducs pulsés du domaine des études universitaires à celui de projets industriels, favorisant ainsi un transport aérien plus propre et plus écologique», conclut Gaëlle Mouret.
Mots‑clés
PHP2, caloducs, caloducs pulsés, gestion thermique, avions plus électriques, propulsion hybride, piles à combustible, avions tout électriques, apprentissage automatique, caloduc oscillant