Conception optimisée de l'efficacité énergétique d'un ventilateur axial à balayage frontal pour pompe à chaleur

De nos jours, les systèmes de climatisation et de réfrigération ainsi que les pompes à chaleur sont largement utilisés comme équipements de régulation de la température dans le monde entier. Les pompes à chaleur sont particulièrement utilisées dans les climats froids (Xu et al., 2020). En raison de l'utilisation intensive d'équipements connexes, ils ont entraîné une énorme consommation d'énergie et des émissions considérables de gaz à effet de serre, tout en améliorant la qualité de vie des populations (Xu et al., 2021). Face à l'aggravation du réchauffement climatique et des problèmes énergétiques, les institutions compétentes accordent une importance croissante à l'énergie et ont publié des normes en conséquence (COMMANDES, RÉFRIGÉRATION).

Le ventilateur axial est le composant principal d'un système de climatisation et d'un système de pompe à chaleur. L'amélioration de son rendement permet de réduire efficacement la consommation d'énergie du système de régulation de température (Usman et al., 2017). Parallèlement, ses performances aérodynamiques ont un impact important sur les performances globales du système de climatisation et du système de pompe à chaleur et déterminent le niveau de confort de l'utilisateur (Lim et al., 2020Selon la théorie des vortex et du bruit, les vortex turbulents sont le principal facteur influençant le bruit des ventilateurs. Ainsi, les vortex turbulents générés par un écoulement anormal à l'intérieur du ventilateur affectent considérablement son rendement. Par conséquent, le son est une forme de dissipation d'énergie, et l'optimisation du bruit du ventilateur peut indirectement améliorer son rendement.Schram et Hirschberg, 2003). Parallèlement, un bruit excessif affectera l'expérience utilisateur. Par conséquent, afin d'utiliser l'énergie plus efficacement, les concepteurs imposent des exigences plus élevées en matière de performances aérodynamiques des ventilateurs axiaux, et l'objectif est d'obtenir un rendement élevé, un faible niveau sonore et un débit important (Jung et Joo, 2019Étant donné que la pale est le principal élément moteur du ventilateur axial, il est primordial d'étudier la faisabilité de l'optimisation de ses paramètres afin d'améliorer l'efficacité énergétique d'une pompe à chaleur.

Plusieurs chercheurs ont mené des recherches approfondies sur l'amélioration des performances des ventilateurs à flux axial.Xie et al. (2019)Nous avons étudié l'influence de différents angles de balayage avant sur les paramètres de performance des ventilateurs axiaux à l'aide d'un modèle paramétré. Les résultats montrent que la pression d'air moyenne à l'entrée et la vitesse de l'air augmentent continuellement avec l'angle de balayage avant du ventilateur. En utilisant la méthode de paramétrisation NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline),Liu et al. (2019)Nous avons modifié les profils des pales des ventilateurs axiaux et, en conditions hors conception, les performances aérodynamiques de ces ventilateurs sont nettement améliorées. Des expériences et des simulations numériques ont permis de le démontrer.Hurault et al. (2010)ont évalué les effets des conceptions à flèche avant des ventilateurs axiaux sur l'énergie cinétique turbulente du champ d'écoulement, et la flèche a une influence significative sur l'énergie cinétique turbulente en aval du ventilateur.Ding et al. (2019),Lin et al. (2014),Angelini et al. (2017),Lin et al. (2014),Angelini et al. (2017), etDing et al. (2019)ont par ailleurs mis en œuvre une conception d'optimisation paramétrique basée sur la courbe de Bézier pour diverses formes de machines hydrauliques. Parallèlement,Ye (2017)a optimisé un type d'aile de planeur sous-marin basé sur une technologie de modélisation par agents.

Au contraire, de nombreux chercheurs, tant au niveau national qu'international, optimisent les machines à fluides en combinant le modèle d'agent et l'algorithme d'optimisation après paramétrage de l'objectif d'optimisation.Della Vecchia et al. (2014)Parsec a été utilisé pour la caractérisation paramétrée d'un profil d'aile, combiné à des algorithmes génétiques (AG) pour la conception d'optimisation, et a ainsi obtenu un type d'aile avec de bonnes performances aérodynamiques.Zhou et al. (2021)Nous avons utilisé les fonctions de Hicks-Henne pour caractériser paramétrer les pales d'un ventilateur centrifuge à pales multiples et combiné le modèle d'approximation de Krigeage et l'algorithme NSGA-II pour réaliser une optimisation multiobjectif des pales. Après optimisation, les performances aérodynamiques des pales ont été significativement améliorées.Yang et Xiao (2014)Nous avons paramétré la roue de la pompe et combiné le modèle RSM et le MGA pour réaliser une conception d'optimisation multi-objectifs de la roue, et les performances hydrauliques de la pompe après optimisation ont été considérablement améliorées.

Les études susmentionnées ont porté sur des moyeux de ventilateurs axiaux à basse vitesse, relativement petits et comportant peu de pales. La longueur de corde, l'épaisseur et l'angle d'attaque des pales de différentes hauteurs varient considérablement, de sorte que la couche limite à la surface de la paroi est relativement mince, ce qui entraîne un décollement de la couche limite le long du bord d'attaque de la pale (Zhou et al., 2014). Avec l'augmentation de la charge, la capacité de puissance de l'extrémité de la pale peut être améliorée, et par conséquent l'efficacité du ventilateur peut être améliorée (T, 2017). Dans les cas graves, l'obstruction du canal et le blocage de la rotation font partie des conséquences (Zhou, 2015Par conséquent, une méthode de conception par optimisation paramétrique peut améliorer les performances des pales d'un ventilateur axial. Cependant, peu d'études portent actuellement sur l'optimisation des ventilateurs à l'aide de la courbe de Bézier, qui peut être combinée à une conception par optimisation paramétrique et appliquée à l'extrémité des pales d'un ventilateur axial à flèche avant. Comparée aux ventilateurs axiaux classiques, la conception à flèche avant contribue à réduire les pertes de charge. Du point de vue de la distribution de la pression statique à la surface de la pale, la flèche avant augmente la répartition de la charge sur la partie supérieure de la pale et accroît sa capacité de puissance. Cette conception permet de réduire l'énergie cinétique turbulente à l'extrémité de la pale et de diminuer les pertes de charge par frottement.Zhang et al., 2019). La surface en bout de pale des ventilateurs axiaux à balayage avant est beaucoup plus grande que la surface à l'embase des pales et constitue la principale zone de travail ainsi qu'une source de bruit (Yang et Chen, 2002Cette étude a examiné la relation entre la courbe de balayage de l'extrémité de la pale et ces objectifs, en utilisant des applications de Bézier cubiques pour paramétrer cette courbe et en sélectionnant le débit et l'efficacité de la pression totale comme objectifs d'optimisation. Les modèles de fonction de base radiale (RBF) et de Krigeage ont été intégrés afin d'établir un ensemble de modèles de substitution pour améliorer l'efficacité de l'optimisation et réduire la taille de l'échantillon. L'algorithme génétique de tri non dominé II (NSGA-II) a été sélectionné pour optimiser la courbe de balayage de l'extrémité de la pale, et des simulations numériques ont été utilisées pour explorer les variations du champ d'écoulement et des attributs acoustiques avant et après optimisation.

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