Optimisation topologique d'une bouche de ventilation en régime turbulent

Garry Riviere (1) , Pierre-Henri Cocquet (1) , Eric Fock (1) , Alain Bastide (1)

1 PIMENT - Physique et Ingénierie Mathématique pour l'Énergie, l'environnemeNt et le bâtimenT

The air velocity is one of the thermal comfort criteria for building users. Thus, an increase of air velocity on building users contributes to reduce perceived temperature. Therefore, air movement in the areas of users improves thermal comfort. Airflow dynamics may be changed by altering the design aspect of the ventilation nozzles. To achieve suitable air velocity, the design methods of ventilation nozzles are based on experimental tests or numerical trial and error methods. In contrast, the optimal control theory is used in order to find suitable conditions of blowing according to objective criteria in the users area. The topology optimization is a method to find optimal geometries by adding material in a domain. We propose in this paper the use of topology optimization method for nozzles designing with the aim of controlling the oulet velocity and the minimizing of the total dissipated power. The results presented in this article shows the possibilities to find optimal geometries for both objectives. The final geometry of the ventilation orifice is then conditioned by the choice of the designer to increase the influence at one of the two aspects of the minimization. Results are presented for turbulent flow, isothermal, incompressible and steady-state, governed by RANS k-epsilon model.

La vitesse d’air est un des critères de confort thermique de l’usager des bâtiments. Ainsi, une augmentation de la vitesse d’air sur l’usager contribue à la réduction de la température ressentie. Par conséquent, l’augmentation des mouvements d’air dans les zones de présence des usagers contribue alors à l’amélioration du confort thermique. La dynamique des flux d’air dans une pièce peut être modifiée en altérant la forme des bouches de ventilations. Pour atteindre des vitesses d’air optimales le dimensionnement des orifices de soufflage est effectué par méthodes essais-erreurs expérimentales ou numériques. Par opposition, La théorie du contrôle optimal permet de déterminer des conditions de soufflage en fonction de critères à atteindre dans la zone de l’usager. L’optimisation topologique est une méthode qui en découle, elle permet ainsi de trou- ver des géométries optimales en ajoutant de la matière dans le domaine. Nous proposons dans cette contribution une utilisation de l’optimisation topologique comme méthode de conception de bouches de ventilation dans l’objectif de contrôler la vitesse en sortie de l’orifice et en minimisant la puissance totale dissipée. Les résultats présentés montrent qu’il est possible de trouver des géométries optimales en visant ces deux objectifs. La géométrie finale de la bouche de la ventilation est alors conditionnée par le souhait du concepteur à favoriser l’un des deux aspects de la minimisation. Les résultats sont présentés pour un écoulement turbulent, isotherme, incompressibleet en régime permanent, modélisé par les équations du modèle RANS k-epsilon.

Mots clés: Topological optimization; ventilation nozzles; RANS model; adjoint continuous method

Mots clés: Optimisation topologique; bouche de ventilation; modèle RANS; méthode adjointe continue

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Mécanique des fluides [physics.class-ph]

Garry Riviere, Pierre-Henri Cocquet, Eric Fock, Alain Bastide. Optimisation topologique d'une bouche de ventilation en régime turbulent. Conférence Francophone de l'International Building Performance Simulation Association (IBPSA 2016), IBPSA France, May 2016, Champs sur Marne, France. ⟨hal-01322899⟩