Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Démarche méthodologique générale

L'approche proposée dans ce portail repose tout d'abord sur la constatation que la thermodynamique est beaucoup plus simple sur le plan qualitatif que sur le plan quantitatif.

Les technologies énergétiques se présentant comme des assemblages de composants traversés par des fluides thermodynamiques qui y subissent des transformations diverses, on simplifie grandement les choses si on adopte une double démarche, en commençant par dissocier la représentation globale du système, généralement assez simple, de l’étude de ses différents composants considérés individuellement.

La représentation d’ensemble se révèle très utile sur le plan qualitatif : elle peut être faite visuellement et permet de bien comprendre le rôle joué par chaque composant dans le système complet. Sur le plan didactique, elle est essentielle pour bien assimiler les principes de conception de ces technologies. Une fois que l’on a bien à l’esprit la structure interne d’un moteur ou d’un appareil frigorifique, l’étude du comportement de l’un de ses composants est facilitée parce que l’on comprend comment il s’insère dans le tout et quelle est sa contribution au fonctionnement global.

Si l’on dispose d’un environnement graphique approprié comme l’éditeur de schémas de Thermoptim, la structure interne du système peut être décrite très facilement. On obtient ainsi une représentation qualitative très parlante, qu’il ne reste plus ensuite qu’à quantifier en paramétrant les propriétés thermodynamiques des différents composants puis en les calculant. Cette représentation qualitative présente de surcroît la particularité d’être dans une très large mesure indépendante des hypothèses que l’on retient pour le calcul des divers composants : il s’agit d’un invariant du système. C'est ainsi que le même schéma de Thermoptim peut correspondre dans le simulateur à divers modèles de composants.

Editeur de schémas de Thermoptim/Modèle de cycle frigorifique

Complémentarité des approches systémique et analytique

Cette double démarche de modélisation met en jeu deux approches souvent présentées comme antinomiques mais qui dans le cas présent se complètent et s'enrichissent mutuellement :

  • l'approche analytique qui permet de représenter chaque composant par un certain nombre de paramètres caractéristiques, des variables de couplage et un jeu d'équations approprié ;

  • l'approche systémique pour ce qui concerne la définition de l'architecture interne du système (choix des composants, description de leurs liens) ;

Non seulement une telle manière de faire simplifie notablement la démarche de modélisation et facilite ultérieurement l'utilisation et la maintenance du modèle, mais surtout elle sécurise sa construction en automatisant l'établissement des couplages entre les différents éléments qui le composent et en garantissant leur cohérence. Ce point est d'autant plus important que le système étudié comprend un nombre de composants élevé.

Deux notes méthodologiques relatives à la modélisation ont été rédigées à votre attention :

Cette manière de faire est de plus la seule qui permette de focaliser les efforts sur l'étude de cycles innovants, qui constitue aujourd'hui un champ de recherche à la fois passionnant et essentiel pour l'avenir.

Les nombreuses idées novatrices très intéressantes qui ont été proposées récemment, par exemple pour mettre au point des cycles sans émission de CO2, sont là pour témoigner de la fécondité de ce domaine d'investigation, auquel il est fondamental de sensibiliser nos étudiants.

Analyse-système des technologies énergétiques

L’analyse-système d'une technologie énergétique peut être décomposée en quatre étapes fondamentales :

  • l'analyse de la structure (ou de l'architecture) de la technologie considérée, qui met en évidence ses principaux éléments fonctionnels et leurs connexions. Cette tâche, qui peut s’avérer plus délicate qu’il ne paraît car certains composants assurent quelquefois des fonctions différentes selon les phases de marche, est facilitée si l'on dispose d'une base de types primitifs bien choisie. La structure du système ainsi mise en évidence constitue un invariant à peu près indépendant de la finesse retenue pour la modélisation des composants.

  • pour chaque composant, l'identification du ou des fluides thermodynamiques qui entrent en jeu : par exemple, le fluide comprimé dans une turbine à gaz est de l'air, qui brûle avec un combustible dans la chambre de combustion, pour former des gaz brûlés, eux-mêmes détendus dans la turbine. Dans ce cas il faut donc considérer trois fluides thermodynamiques : dans le compresseur, l’air, qui peut éventuellement être humide, dans la chambre de combustion, l'air, le combustible, et les gaz brûlés, et dans la turbine les gaz brûlés.

  • pour chaque élément, la détermination précise des transformations qu’y subissent les différents fluides identifiés, et le calcul de leurs évolutions. Le niveau de finesse de la modélisation dépend de la précision recherchée et des données dont on dispose. Dans ce portail, nous nous contentons généralement, sur le plan quantitatif, d'une modélisation globale des performances des composants, utilisant des paramètres permettant de caractériser leur comportement d'ensemble (leurs caractéristiques), et nous limitons à des considérations qualitatives l'étude du détail de ce qui se passe en interne.

  • l'établissement du bilan global du système considéré par assemblage des différents modèles des composants, compte tenu des connexions internes. Lorsque les précédentes étapes ont été menées avec soin, cette dernière ne présente généralement pas de difficulté particulière. Tout au plus faut-il veiller à bien définir les types d'énergie qui entrent en jeu, pour être certain de les comptabiliser correctement, notamment lorsque l'on souhaite calculer une efficacité de cycle, ce qui est souvent le cas.

Une fois ces étapes franchies, on dispose de tous les éléments pour pouvoir passer à la phase d'optimisation du système, réalisable d'une part en faisant des études de sensibilité autour des paramètres de dimensionnement clés, et d'autre part en ayant recours à des outils spécialisés.

Mise en oeuvre pratique

Pour mettre en œuvre cette double démarche, il faut opérer en deux étapes :

  • commencer par se doter des modèles des composants du système ;

  • les assembler pour créer le modèle du système global.

Le noyau de Thermoptim a été bâti pour permettre de représenter les composants mono-fonctionnels les plus courants, que l'on peut qualifier ainsi étant donné qu'ils ne mettent en jeu qu'au plus une seule forme d'énergie. Leurs modèles thermodynamiques étant à peu près universellement acceptés, il était possible de les programmer une fois pour toutes. Les composants complémentaires modélisés par des classes externes sont quant à eux facilement personnalisables par les utilisateurs, qui disposent ainsi de la possibilité de définir eux-mêmes les équations phénoménologiques qu'ils souhaitent retenir.

La première étape est essentielle et constitue un préalable pour que l'approche systémique puisse être mise en œuvre. Pour un utilisateur, le problème se pose différemment selon qu'un modèle suffisamment réaliste existe ou non dans le noyau de Thermoptim ou dans les classes externes disponibles :

  • lorsque tous les composants requis sont déjà disponibles, la démarche de modélisation se limite de fait à la phase systémique : il s'agit essentiellement d'assembler des modèles de composants prédéfinis ;

  • lorsqu'il est nécessaire de mettre au point certains modèles de composants, l'environnement de développement des classes externes leur permet de créer ces modèles en les rendant compatibles avec le progiciel.

Une fois les modèles de composants disponibles, construire le modèle d’un système thermodynamique avec Thermoptim est très simple et se fait en deux temps :

  • on commence par en faire une description qualitative en le représentant graphiquement comme un ensemble de composants connectés entre eux par des liens vectoriels représentant les canalisations de fluides ou les échangeurs de chaleur ;

  • on quantifie ensuite le modèle ainsi défini en paramétrant les différents types primitifs qu’il met en jeu, pour pouvoir en calculer les performances, faisant ainsi appel aux modèles prédéfinis.

L’éditeur de schémas permet de réaliser l’étape qualitative : l’utilisateur ne fournit dans un premier temps que le minimum d’informations nécessaire à la définition logique du projet qu’il construit (implicitement les types de composants qu’il sélectionne, et explicitement leur nom et celui du point de sortie et du corps qui leur sont associés, ainsi que la valeur du débit qui les traverse). Ensuite, lorsqu’il connecte entre eux ces composants, certaines de ces informations sont automatiquement propagées de l’amont vers l’aval (par exemple, le point d’entrée du composant aval devient le même que celui de sortie du composant amont). Ce petit nombre d’informations de base fournies au modeleur graphique correspond à la description systémique de la technologie étudiée.

Lorsque cette étape est terminée, il devient possible de transférer dans le simulateur les composants du schéma, pour créer les types primitifs requis, avec un paramétrage par défaut de leurs propriétés thermodynamiques. La quantification du modèle désiré peut alors être faite en affinant ce paramétrage, chaque élément du simulateur s’affichant très simplement en double-cliquant, soit sur le composant correspondant dans l’éditeur de schémas, soit sur la ligne d’une table de l’écran de projet principal du simulateur.

Une fois les éléments paramétrés et leur calcul effectué, les résultats obtenus peuvent être directement affichés dans l’éditeur de schémas qui devient ainsi un véritable synoptique de l’installation, ou bien représentés sous forme d’un cycle dans l’un des diagrammes interactifs.

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