Amélioration des simulations thermiques dans les systèmes d’éclairage automobiles

Amélioration des simulations thermiques dans les
systèmes d’éclairage automobiles

Presentation de la lampe P21W

La lampe P21W est une lampe à incandescence constituée d’un filament de tungstène à géométrie spiralée (spiralage simple) (Fig 2.2). Le tungstène est le métal ayant la plus haute température de fusion, soit 3655 K. Le filament est entouré d’une enveloppe de verre dur, également appelé « bulbe », remplie d’un mélange de gaz inerte d’argon, de krypton ou encore de xénon. La composition du gaz est variable selon les fabricants. Ce mélange gazeux contribue à diminuer la vitesse de sublimation du tungstène à haute température [Des97]. Convection du gaz Mélange de gaz neutres : argon, krypton, azote Bulbe Culot Conduction Filament spiralé (tungstène) Haute température Emissivité du filament Transmission Température inhomogène ds dl Figure 2.2 – Lampe à incandescence P21 W

Donnees des constructeurs

Les caractéristiques de la lampe P21 W sont en partie issues de la documentation technique de PHILIPS.

Dimensions

La surface réelle du filament, notée Sf , correspond à la surface d’échange radiatif. Elle est donc calculée avec les grandeurs géométriques, ll et dl , du filament déroulé (Tableau 2.1). Les dimensions du bulbe sont répertoriées dans le tableau 2.2. Il est à noter que le bulbe a une surface cent fois plus grande que la surface du filament. Filament spiralé déroulé Longueur ls = 6mm ll = 65.15mm Diamètre ds = 0.75mm dl = 96.32µm Surface d’échange Sf 19.714 mm P21W Bulbe Diamètre maximum 25 mm Epaisseur 0.2mm Aire 2094.097mm2 Table 2.2 – Grandeurs géométriques du bulbe

Temperature filament

En fonctionnant à 25W, la température du filament d’une lampe P21W est comprise entre 2903 K et 2948 K, d’après les données du fournisseur PHILIPS. Le fournisseur OSRAM estime cette température à 2930 K. Les informations sur les méthodes employées ne figurent pas dans la documentation technique. La littérature ne nous donne qu’une plage étendue de températures : pour une lampe à filament de tungstène immergé dans un gaz, le filament atteint 2600 K à 3200 K selon les modèles [Des97]. Ce constat montre la nécessité de diminuer cette plage de variations au moyen d’expérimentations. Le rapport des émittances à 3200 K et à 2600 K, σSBT 4 max σSBT 4 min , vaut en effet 2,29 en supposant, en première approximation, une émissivité constante entre Tmax = 3200K et Tmin = 2600K.

Gaz de remplissage

Le mélande de gaz varie d’un fournisseur à l’autre : • OSRAM :60% argon, 20% helium, 20% diazote ; • PHILIPS : 94% argon, 5% helium , 1% diazote

Reduction de mod éle du filament

Dans la littérature, le filament spiralé est souvent modélisé par un cylindre équivalent. La longueur du cylindre, lc, est maintenue égale à la longueur du filament spiralé, ls . Les différences de modèles concernent le calcul du diamètre du cylindre ou bien la section. • Monteix[Mon01] propose pour le diamètre la relation dc = ds 2 π + es ds (2 − π) où ds est le diamètre d’une spire. • Petterson[PS00] simplifie cette relation et donne un diamètre dc = dsπ 2 • Virag [VM05] exprime le rapport des sections entre le filament et le cylindre. La relation est établie en postulant que la puissance électrique du filament doit rester inchangée. En négligeant les pertes par convection et conduction, le bilan est le suivant : AsεσSBT 4 = AcεσSBT 4 Avec le ratio des surfaces : Ac As = πdclc + 2π .

Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
Nomenclature
Nomenclature
Introduction
1 Description des transferts thermiques dans un système d’éclairage automobile
1.1 Rappels des grandeurs et des lois fondamentales du rayonnement
1.1.1 La luminance spectrale et directionnelle
1.1.2 La luminance du corps noir
1.1.3 La loi de déplacement de Wien
1.1.4 Emission des corps réels
1.2 Interaction du rayonnement avec la matière
1.2.1 Loi de Kirchhoff
1.2.2 Réflexion
1.2.3 Réfraction
1.3 L’équation de transfert radiatif (ETR)
1.3.1 Etablissement de l’ETR
1.3.2 Les méthodes de résolution de l’ETR
1.4 Simulation numérique du chauffage des lampes dans une optique
1.4.1 Les méthodes de calcul radiatif entre surfaces
1.5 Principe de la méthode de Monte Carlo pour le calcul intégral
1.5.1 Formulation intégrale
1.5.2 Stratégies d’échantillonnages
1.5.3 Techniques d’optimisation des lois de tirages
1.5.4 Choix de la méthode de Monte Carlo pour notre application
1.6 Thermique des matériaux
1.6.1 Equation de la chaleur
1.6.2 Application aux matériaux opaques
1.6.3 Application aux matériaux semi-transparents
1.7 Hypothèses de l’étude
2 Caractérisation d’une lampe à incandescence P21W
2.1 Sources lumineuses utilisées dans les systèmes d’éclairage automobiles
2.1.1 Les lampes à incandescence
2.1.2 Les lampes à décharge
2.1.3 Les LED
2.2 Présentation de la lampe P21W
2.2.1 Données des constructeurs
2.2.2 Réduction de modèle du filament
2.2.3 Mesures expérimentales de l’émission de la lampe
2.2.4 Etude préliminaire du rôle du bulbe dans les transferts thermiques
2.3 Problématiques
2.4 Propriétés radiatives de la lampe
2.4.1 Emissivité du tungstène
2.4.2 Transmission du bulbe
2.5 Bilan thermique de la lampe
2.6 Température du filament
2.6.1 Etat de l’art des méthodes d’identification de la températur
2.6.2 Mise en œuvre de la méthode de résistivité
2.6.3 Correction de la température de résistivité par méthode optique
2.6.4 Mesure de la température par spectrométrie .
2.6.5 Mise en œuvre de la méthode par estimation inverse
2.6.6 Synthèse des différentes méthodes
2.7 Mesure de la température du bulbe par thermographie infrarouge
2.7.1 Polaire d’émission de la lampe
2.7.2 Influence de la courbure du bulbe sur la température mesurée
2.7.3 Estimation de la température au point chaud
2.8 Conclusion partielle
3 Modélisation des transferts radiatifs dans un système d’éclairage automobile
3.1 Modèles d’émission de la lampe
3.1.1 Source ponctuelle
3.1.2 Source étendue
3.1.3 Source étendue et spectrale
3.2 Caractérisation radiative des éléments du système d’éclairage
3.2.1 Caractérisation optique du réflecteur
3.2.2 Caractérisation optique du matériau opaque ABS-N
3.2.3 Caractérisation optique du matériau semi-transparent PS
3.3 Interaction du rayonnement avec le réflecteur
3.3.1 Modèle spéculaire
3.3.2 Extension du modèle
3.4 Interaction du rayonnement avec un matériau opaque
3.4.1 Modèle numérique pour le calcul du flux à la paroi
3.5 Interaction du rayonnement avec un matériau semi-transparent
3.5.1 Suivi optique
3.5.2 Modèle numérique pour le calcul d’un terme source .
3.6 Conclusion partielle
4 Etude du chauffage infrarouge d’un polymère par un système lampe-réflecteur
4.1 Environnement de simulation
4.1.1 Outils de calcul du flux radiatif
4.1.2 EDStar (Environnement de Développement de Statistiques Radiatives)
4.1.3 Mise en œuvre informatique dans EDStar 101
4.2 Validation du code
4.2.1 Calcul de l’éclairement d’une plaque irradiée par un cylindre
4.2.2 Calcul d’un terme source dans une plaque semi-transparente
4.3 Chauffage infrarouge de la plaque ABS-N 107
4.3.1 Dispositif expérimental
4.3.2 Calcul des densités de flux sur la plaque dans EDStar
4.3.3 Analyse des distributions de densités de flux sur la plaque
4.3.4 Simulation thermique dans Comsol Multiphysics
4.3.5 Comparaison de la simulation avec les mesures thermographiques
4.4 Conclusion partielle
5 Application sur un cas réel 3D
5.1 Avant Propos
5.2 Généralités
5.2.1 Equation générale de transport
5.2.2 La méthode DO dans Fluent
5.3 Solution de chaînage entre EDStar et Fluent
5.4 Présentation de la simulation
5.4.1 Paramètres de la simulation et schémas numériques
5.5 Résultats et comparaison avec l’expérience
5.6 Comparaison avec la simulation DO
5.7 Conclusion partielle
Conclusion et perspectives
A Moyens de Mesure
A.1 Caméra Infrarouge : FLIR SC325
A.1.1 Retour sur la thermographie infrarouge
A.1.2 Caractéristiques de la caméra
A.2 Spectromètre infrarouge à Transformée de Fourier (Spectromètre IRTF)
A.2.1 Principe de la mesure
A.2.2 Grandeurs mesurées
A.3 Mesures avec le spectromètre USB2000 et lampe étalon
A.4 Rugosimètre à palpage mécanique
A.4.1 Principe de la mesure
A.4.2 Conditions des mesures
B Température de couleur
C Formulation intégrale du facteur de forme
C.1 Formulation 1
C.2 Formulation 2
C.3 Discussion
D Tableau de synthèse des pdf et des poids de Monte Carlo relatifs aux modèles
E Démonstrations des cas analytiques
E.1 Eclairement d’un plan irradié par une source étendue
E.2 Calcul du facteur de forme entre un élément de plan parallèle à un cylindre fini
F Méthode pour l’intégration du calcul radiatif dans FLUENT
G Equation de l’énergie et ETR
G.1 Etablissement de l’équation de l’énergie
G.2 Etablissement de l’équation de transfert radiatif
G.2.1 Expression du terme source pour un milieu non diffusant
Bibliographie