Nous allons maintenant travailler sur la bibliothèque permettant de modéliser les transferts thermiques. Nous allons commencer ici par un ensemble de petites activités permettant de décrouvrir les fonctions principales de cet atelier.

Travail à réaliser:

1. Représentation de transfert thermique convectif
   
   Commençons par travailler avec la fonction permettant de représenter un transfert thermique convectif.
   
   
   1. Créez nouveau fichier, sauvegardez-le et insérez la fonction à deux ports permettant de simuler un transfert convectif th_convection2p (bibliothèque "Thermal", sous dossier "Heat Exchanges").
      
      
   2. Consultez l'aide en ligne accessible pour ce composant dans laquelle vous pourrez voir les variables externes du THGCV2: external mixed convective exchange with thermal port comme sur l'image ci-dessous.
      Vous devriez voir dans l'aide ce schéma de variables externes:
      
      
      
      
      On voit donc ici que pour les composants de la bibliothèque Thermal, deux variables seront transférées au niveau des ports, des températures (degC) et des puissances (W).
      Le sens de transfert des variables externes indique qu'il faudra fournir au composant des signaux de températures et qu'une puissance sera calculée au sein de celui-ci et renvoyée aux autres composants auxquels il est connecté.
      
      Dans cet exercice, nous allons réaliser le schéma le plus simple accessible, donc nous allons fournir deux signaux de températures à ce composant en insérant deux sources de température th_temperature_source (sous-dossier Sources, Sensors).
      
      
      
      
      Réalisez un circuit analogue au schéma ci-dessous:
      
      
      
      
      
      
      
   3. Passez directement en mode paramètrage (les composants employées n'ont qu'un sous modèle disponible). Pour le composant THGCV2 nous allons spécifier des paramètres de manière qu'il calcule un flux thermique avec un coefficient de convection constant selon l'équation:
      Flux thermique= Coefficient de convection*Surface d'échange*(Température au port 2 - Température au port 1)
      Le coefficient de convection et la surface d'échange étant des paramètres de la fonction, il faudra saisir leurs valeurs dans l'étape de définition des paramètres. Paramétrez ainsi les fonctions:
      
      

      Composant	Fonction	Paramètres
      Transfert thermique convectif	THGCV2-1	Calculation type: generic geometry with imposed heat exchange coefficient convective exchange area: 10000mm**2 imposed convective heat exchange coefficient: 12 W/m**2/degC
      Source de température 1	THTS1-1	#Temperature at port 1: 20degC
      Source de température 2	THTS1-2	#Temperature at port 1: 10degC

      
      
      
   4. Réalisez la simulation et notez le flux convectif calculé.
      
      
   5. Copiez et collez votre circuit dans le même fichier.
      
      
   6. Sur le circuit copié, supprimez la source de température à 10degC et complétez le circuit de manière à avoir un signal de température sinusoïdal, comme sur le schéma ci-dessous.
      
      
      
      
      
      La fonction THTC0 convertissant un signal en source de température.
      
      
      
      
      
   7. Paramétrez le signal sinusoïdal ainsi:
      • Période: 24 heures
      • Valeur moyenne: 10
      • Amplitude de la sinusoïde: 4
      • Déphasage: 0
      
      
      
   8. Simulez le système sur une journée et observez l'évolution du flux thermique, notez les valeurs maximum et minimum.
      
      
   9. Insérez un composant permettant d'extraire le flux thermique et de le transformer en signal, heatfluxsensor (dans Thermal > Sources, Sensors) comme sur le schéma ci-dessous:
      
      
      
      
      Notez les symboliques des ports, les ports "thermiques" sont réalisés avec une suite de rectangles et les ports "signaux" le sont avec un simple trait.
      
      
      
      Portez aussi attention aux flèches qui indiquent le sens de transformation des variables signal.
      
      
   10. Simulez le système et tracez le signal de puissance obtenu avec le nouveau composant inséré. Remarquez le signe du signal et commentez.
       
       
   11. Nous souhaitons maintenant avoir l'énergie consommée sur les 12 premières heures, à vous de modifier le circuit de manière à calculer directement cette valeur.
       Rajoutez les fonctions permettant de calculer la puissance moyenne consommée sur cette même période.
       Résultat: -0,8944 W
       
       
   12. Déterminez cette même puissance en utilisant la fonction permettant de calculer la valeur moyenne d'un signal mean (bibliothèque Signal, controls, sous-dossier Maths).
       
       
   13. En fait nous aurions pu représenter le composant de transfert thermique convectif entièrement avec la bibliothèque signal, comme par exemple sur le schéma ci-dessous.
       
       
       
       Réalisez un circuit, identique ou analogue, où le flux convectif est calculé entièrement avec des composants de la bibliothèque signal. Vérifiez que vous trouvez bien les mêmes résultats qu'avec de la composant de la librairie thermique.
       
       
2. Découverte du composant représentant une capacité thermique
   
   Pour représenter l'évolution temporelle des systèmes thermiques il est nécessaire de prendre en compte l'accumulation de chaleur de la matière, pour cela nous disposons du composant thermal mass (capacity) :
   
   
   
   
   Notez que cette fonction reçoit des signaux de puissance à tous ses ports. Elle calculera une température unique qui sera renvoyée à tous ses ports.
   
   
   1. Dans un nouveau fichier réalisez le circuit ci-dessous
      
      
      
      Vous trouvez les fonctions thermal mass et thermal solid properties dans le sous dossier Material, Nodes, Masses de la bibliothèque thermique. Le composant thermal solid properties permet de définir les propriétés du matériau (masse volumique, capacité termique,etc..)
      Le zero heat flow source est accessible dans le sous-dossier Sources, Sensors de cette même bibliothèque. Ce composant ne sert qu'à "fermer" un port non utile.
      
      
   2. Pour la thermal mass, choisissez le sous-modèle THC000.
      Pour les propriétés du matériau thermal solid properties choisissez le sous-modèle THSD00.
      
      
   3. Modifiez les paramètres des fonctions de manière à avoir:
      
      

      Composant	Fonction	Paramètres	Notes
      Propriétés de la matière	THSD00-1	Solid type index: 1 material definition: user defined specific heat of the material: 1000 J/Kg/K thermal conductivity of the material: 200 W/m/K	Le Solid type index sera utile lorsque différents matériaux seront présents, dans ce cas on insèrera plusieurs fonctions THSD et chacune devra avoir un index différent.
      Capacité thermique	THC000-1	#temperature: 17degC mass of material: 0,1Kg	Le symbole # devant une variable signifie que c'est la valeur prise à t=0s pour initialiser les calculs.
      Signal	UD00-1	Cliquez sur ce lien pour voir le signal à paramétrer (la cible du lien va s'ouvrir dans un nouvel onglet).

      
      
      
   4. Simulez le système sur un temps adéquat.
      Tracez l'évolution de la température du composant de la capacité thermique THC000-1 en fonction du temps.
      Comparez l'évolution de cette variable à l'évolution des températures mesurées aux ports de sortie.
      Remarquez que la température initiale est bien 17°C.
      
      
   5. Modifiez le circuit de manière à obtenir le système ci-dessous:
      
      
      
      
      
   6. Implémentez ce choix de sous modèles et de paramètres (vous pouvez copier les composants de la partie I, les valeurs de paramètres modifiés sont en rouge):
      
      

      Composant	Fonction	Paramètres
      Propriétés de la matière	THSD00-1	Solid type index: 1 material definition: user defined specific heat of the material: 1000 J/Kg/K thermal conductivity of the material: 200 W/m/K
      Capacités thermiques	THC000-1 et THC000-2	#temperature: 17degC mass of material: 0,1Kg
      Signal	UD00-1	Cliquez sur ce lien pour voir le signal à paramétrer (la cible du lien va s'ouvrir dans un nouvel onglet).
      Transferts thermiques convectifs	THGCV2-1 et THGCV2-2	Calculation type: generic geometry with imposed heat exchange coefficient convective exchange area: 10000mm**2 convective exchange coefficient: 1000W/m**2/degC
      Source de température	THTS1-1	#Temperature at port 1: 0degC

      
      
      
   7. Simulez ce système et tracez sur un même graphique l'évolution de température des deux capacités thermiques, est-ce que cela vous semble cohérent ?
      
      
   8. Là encore cette fonction aurait pu entièrement être réalisée avec des fonctions de la bibliothèque signal, nous allons faire cet exercice.
      
      
      
      
      
      D'abord, copiez et collez entièrement le dernier circuit que vous avez réalisé, ne pas dupliquer la fonction THSD02 fixant les propriétés du matériaux. Si vous la dupliquez, chaque instance de ce composant doit avoir une valeur de son paramètre "Solid type index" différente.
      Supprimez la capacité thermique à substituer.
      
      
   9. Pour pouvoir remplacer la capacité par des fonctions de la bibliothèque signal, il faut utiliser des fonctions de conversion de flux entre la bibilothèque thermique et la bibliothèque signal. Insérez donc deux fonctions THCS1 ( Bibliothèque "Thermal", sous dossier "Sources, sensors") comme sur l'image ci-dessous.
      
      
      
      
      
      
      
      
   10. L'aide en ligne donne l'équation utilisée pour calculer la température de la thermal mass:
       
       
       
       
       Avec:
       • T la température de la masse,
       • t le temps,
       • i un indice correspondant au port (il va donc de 1 à 4),
       • dmqi la puissance thermique au port i,
       • mass la masse,
       • cp la capacité calorifique du matériau.
       
       Reconstruisez entièrement cette fonction de capacité thermique avec des fonctions de la bibliothèque signal.
       
       
   11. Simulez la fonction réalisée dans le système et tracez sur le même graphe la température de la capacité thermique du circuit initiale et de celle réalisée avec les fonctions de la bibliothèque signal. Si vous observez des différences c'est qu'il y a des erreurs dans votre représentation, à vous de les identifier et de les corriger. Bien évidemment vous pouvez solliciter votre enseignant si vous éprouvez des difficultés.