Les futurs avions décarbonés auront besoin de puissances électriques bien supérieures à celles d'aujourd'hui pour alimenter en énergie l'ensemble de leurs fonctions, propulsives ou non. Mais pour évacuer les flux thermiques générés par ces puissances, pas question de recourir aux échangeurs de chaleur traditionnels : pas assez efficaces, trop volumineux, trop lourds.
C'est ce qui a donné naissance au projet ECCAD (Échangeur de chaleur compact pour avion décarboné), porté par la Direction générale de l'aviation civile (DGAC), France Relance et l'UE. Il a réuni de 2021 à 2024 Sogeclair Aerospace (chef de projet et expert en échangeur de chaleur FA), AddUp, l'ONERA et deux instituts du CEA, le Liten et le List.
Du design au test de maquettes, déployer une chaîne globale d'innovation
« Nous avons été retenus pour notre expertise des échangeurs de chaleur et des matériaux, explique Pierre Coste, chef de projet au Liten.
Nous avons déployé pendant trois ans une chaîne globale d'innovation :
design, simulations, optimisation de la fabrication additive, conception d'un banc d'essai, test de maquettes… »
Dès le départ, l'échangeur classique de forme parallélépipédique avait été évincé - pas assez compact – au profit d'un démonstrateur proposé par deux partenaires d'ECCAD. Sa géométrie annulaire convergente impliquait toutefois le recours à la fabrication additive (FA). L'enjeu : répondre aux exigences de puissance et d'intégration de plus en plus fortes sur les échangeurs thermiques. « Notre principale mission a été d'optimiser son design,
pour atteindre des performances bien supérieures, en intégrant les contraintes de FA. »
Des pièces rugueuses, un atout et non un défaut
Les chercheurs ont développé un modèle global d'échangeur, puis utilisé des algorithmes d'optimisation multiparamétriques pour définir les géométries idéales côté chaud (eau glycolée) et froid (air) de l'échangeur. Toujours à des fins d'optimisation, ils ont pris en compte la rugosité intrinsèque des pièces en alliage d'aluminium imprimées en 3D. « Elle n'est pas nécessairement pénalisante, et peut même améliorer le rendement de l'échangeur » précise Pierre Coste.
Ces travaux ont permis de comparer les performances de trois géométries d'ailettes, celles-ci servant à accroître la surface d'échange parois/fluides. Les deux premières, OSF et Wavy, sont déjà présentes sur des produits commerciaux. La troisième, TPMS, était inédite. Non retenue comme solution finale du projet, car pas assez mature, elle a toutefois donné lieu à deux dépôts de brevets.
Améliorer les géométries d'échangeurs pour tous types d'applications
Un banc de test existant a été adapté pour valider le design sur maquettes de taille réduite (100 x 100x 200 mm). Principaux changements : l'ajout de puissants compresseurs, pour reproduire les débits d'air d'un avion en vol, et celui de capteurs de température, de pression et de débit. « C'est sur ce banc que nous avons établi la supériorité de la géométrie OSF sur les autres. »
Les ailettes OSF qui ont été retenues innovent toutefois par leur forme pointue, leur inclinaison et leur extrême finesse, aux limites de la tenue mécanique. Aussi, une équipe Liten s'est penchée sur les recettes d'impression 3D et les procédés de post-traitement, en multipliant les tests sur éprouvettes. « ECCAD a enrichi notre expertise interne en conception de géométries innovantes d'échangeurs, conclut Pierre Coste.
Nous pouvons la mettre au service de nombreuses autres applications. »
Crédit CEA