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Habilitation À Diriger Des Recherches Year : 2019

Topology Optimization of Complex Thermofluid Flows and Systems

Optimisation topologique des systèmes complexes thermofludiiques

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Abstract

Complex thermofluid flows like concentrated non-colloidal suspensions and fluid flows in porous media are present in many mechanical, chemical, geological, civil, biological, industrial and process engineering applications (e.g. blood, concrete, oil and fuels, cosmetics, detergents, drilling muds, rivers, food processing, cpu coolers, heat exchangers, etc). Developing advanced numerical methods and robust, reliable and sustainable Computational Fluid Dynamics (CFD) tools is very important. These numerical tools, thanks to the High Performance Computing (HPC) resources today (I.e. affordable clusters, cloud and parallel computing) permit scientists to deeply analyze different complex multiscale multiphysics phenomena. They allow deep analysis, understanding and knowledge of the different phenomena (multiphase fluid flow dynamics, heat and mass transfer) while reducing both time and money costs compared to mounting of expensive experimental setups. Topology Optimization of complex thermofluid flows and systems allow designing unpredictable artificially intelligent optimal components at different scales such as optimal heat exchangers, static and dynamic mixers, coolers, separators, heaters, air pollution filters, biogaz separators, etc. Topology optimization is known to produce optimal designs of complex geometries where the fabrication is not a big issue today ! This is thanks to the technology of additive manufacturing or 3D printing. The optimal component design produced by topology optimization can ensure different important features based on the user’s desired options such as: a maximum energy efficiency, a minimum weight, a maximum rigidity and a minimum pressure drop, all for predefined objective functions and at different industrial constraints. My research, development and innovation activities and scientific contributions during the last decade have been developing in this context. They are grouped into three major research axes or themes: Axis no.1 - Complex-fluid flows of non-colloidal suspensions, Axis no.2 - Topology optimization and design of complex thermofluid flow systems, and Axis no.3 - Multi-component fluid flows in adsorbent porous media. These three research axes have been contributing importantly to the scientific reputation of all my host research units during the last decade. They constitute a solid academic database and a huge potential for future scientific reputation. This is due to multiple undergoing scientific collaborations with different national and international universities, institutions and industrial partners. My research activities have been always developed trying to propose future solutions strategies in attempts to overcome some of the coming socioeconomic and industrial challenges (i.e. optimization and design of innovative components and materials, pollution reduction, energy savings and energy efficient new technologies).
Les écoulements thermofluidiques complexes, tels que les suspensions concentrées des particules non-colloïdales, et les fluides dans des milieux poreux, sont présents dans de nombreuses applications en génie mécanique, chimique, géologique, civile, biologique, industrielle et de procédés (e.g. sang, béton, huiles et combustibles, cosmétiques, détergents, boues, rivières, aliments, refroidisseurs de processeurs, échangeurs de chaleur, etc). Développer des methodes numériques avancées et des outils de CFD (Computational Fluid Dynamics) robustes, fiables et durables est très important. Aujourd’hui, grâce aux ressources HPC (High Performance Computing) et les grands centres de calculs abordables, les clouds et calculs parallèles, ces outils numériques permettent aux scientifiques d’analyser en profondeur différents phénomènes complexes multi-échelles multi-physiques. Ils permettent une analyse approfondie, la compréhension et la connaissance des différents phénomènes (dynamique des fluides multiphasiques, transfert de chaleur et de masse) tout en réduisant les coûts en temps et en argent par rapport à des montages expérimentaux coûteux. L’optimisation Topologique des systèmes thermofluidiques complexes permet de concevoir des composants optimaux imprévisibles intelligents artificiellement à différentes échelles, tels que des échangeurs de chaleur optimaux, des mélangeurs statiques et dynamiques, des refroidisseurs, des séparateurs, des réservoirs de stockage de la chaleur, des ballons d’eau chaude sanitaires, des filtres de pollution atmosphérique, des séparateurs de biogaz, etc. L’optimisation topologique est bien connue pour produire des conceptions ou designs optimales de géométries complexes où la fabrication n’est plus un gros problème aujourd’hui grâce à la technologie de fabrication additive ou l’impression 3D. La conception optimale des composants produite par l’optimisation topologique peut assurer différentes caractéristiques importantes en fonction des options souhaitées par l’utilisateur, telles que: une efficacité énergétique maximale, un poids minimal, une rigidité maximale et une perte de charge minimale, tout pour des fonctions objectives prédéfinies et pour des différentes contraintes industrielles. Mes activités de recherche, de développement et d’innovation et mes contributions scientifiques au cours de la dernière décennie se sont développées dans ce contexte. Ils sont regroupés en trois grands axes ou thèmes de recherche: Axe n.1 – Écoulement complexe de suspensions non-colloïdales, Axe n.2 – Optimisation topologique et conception optimale de systèmes complexes thermofluidiques et Axe n.3 – Écoulement aux composants multiples dans des milieux poreux adsorbants. Ces trois axes de recherche ont largement contribué à la réputation scientifique de toutes mes unités de recherche hôtes au cours de la dernière décennie. Ils constituent une base de données universitaire solide et un énorme potentiel pour une réputation scientifique au future. Cela est dû à de multiples collaborations scientifiques en cours avec différentes universités, institutions et partenaires industriels, nationaux et internationaux. Mes activités de recherche ont toujours été développées en essayant de proposer des stratégies de solutions futures pour tenter de surmonter certains défis socio-économiques et industriels (optimisation et conception de composants et matériaux innovants, réduction de la pollution, nouvelles technologies avec une basse consommation ou maximum efficacité énergétique).
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tel-02493044 , version 1 (27-02-2020)

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  • HAL Id : tel-02493044 , version 1

Cite

Talib Dbouk. Topology Optimization of Complex Thermofluid Flows and Systems: MultiPhysics Multiscale Modeling and Design. Fluid Dynamics [physics.flu-dyn]. Université Polytechnique Hauts-de-France, 2019. ⟨tel-02493044⟩
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