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Modélisation multiphysique et multiéchelle de phénomènes énergétiques

La complexité d’appréhension des conversions d’énergie tient d’une part de l’interaction de divers flux énergétiques et d’autre part des différentes échelles spatiales et temporelles auxquelles se produisent les phénomènes. Il est donc nécessaire de développer des méthodologies et des modèles propres à résoudre cette problématique.

La compréhension fine des phénomènes passe par une description de type mathématique des processus physiques fondamentaux. Du degré de précision attendu dépendra le choix des échelles d’espace et de temps appropriées. De plus, la gestion des différentes formes d’énergie doit être pensée dès la conception du modèle. Dans la majorité des cas, le traitement des interfaces nécessite une étude approfondie car les modélisations de ces zones et les paramètres physiques sont moins bien connus. Enfin, une méthodologie de modélisation de système sera développée en adoptant une démarche globale.

1 Modélisations phénoménologiques :
Il s’agit de développer des modèles de dispositif s’appuyant sur une mise en œuvre des équations fondamentales de la physique. Leur élaboration permet d’approfondir la compréhension et l’explication du comportement observé. L’échelle de représentation peut recouvrer un large spectre selon le domaine d’investigation choisi. Les outils de résolution doivent être adaptés en fonction des problèmes considérés. Ils recouvrent les éléments finis, les différences finies, etc.. et des développements purement analytiques.
Cet axe a des liens forts avec l’équipe « métrologie énergétique », indispensable à l’identification des paramètres des modèles. Les modèles obtenus sont exploités à travers les outils spécifiques élaborés tels que des méthodes inverses et des techniques d’optimisation développées par l’équipe « Conception de systèmes énergétiques ».

2 Interaction des différentes formes d’énergie :
Généralement de nombreux phénomènes physiques s’accompagnent d’un flux de chaleur qui est considéré soit comme une finalité soit comme une conséquence subie. Du point de vue de la modélisation, il convient d’intégrer au même niveau les différentes formes d’énergie : électrique, mécanique, chimique, thermique... Il est aussi indispensable de coupler les phénomènes en les intégrant dans un même modèle afin d’aboutir à une description correcte.
Cet axe est étroitement associé avec l’équipe « Conception de systèmes énergétiques » car le souci d’associer dès la conception du modèle l’ensemble des processus de conversion d’énergie et de résoudre les problèmes induits par cette démarche est à la base de l’optimisation de la conception.

3 Compréhension des phénomènes d’interface :
Les interfaces sont le siège de transferts d’énergie et de masse, souvent mal connus ou insuffisamment décrits. Ces zones présentent un intérêt d’autant plus grand que les phénomènes s’y produisant peuvent s’avérer limitants et de ce fait avoir une influence prépondérante sur le comportement du système. Un autre aspect concerne la définition des conditions limites du système propres à rendre compte des interactions avec d’autres composants du système ou de l’environnement.
Les difficultés de modélisation sont liées aux non-linéarités des phénomènes et des propriétés des milieux considérés. Cet axe s’appuie donc nécessairement sur la métrologie afin de renseigner les modèles et de les valider.

4 Approche systémique :
Des outils spécifiques doivent être mis en œuvre afin de structurer la modélisation des systèmes. Cette structure repose notamment sur le respect des relations causales liant les différentes variables du système. Elle a également pour objectif de hiérarchiser les phénomènes afin de pouvoir éventuellement réduire la dimension du système et homogénéiser les échelles de temps et d’espace. Les outils utilisés sont par exemple les graphes informationnel causal (GIC), les bond-graphs, la représentation énergétique macroscopique (REM). Finalement les modèles développés sont utilisés pour la simulation des composants et groupe de composants du système ainsi que pour les interactions environnementales (conditions limites).


Quelques applications actuelles :

- Projet « MEGEVH-macro » visant à définir des formalismes et outils de modélisation pour le véhicule hybride électrique

- Projets « GAPPAC » et « PACTE » labellisés par l’ANR PANH (et entrant également dans le cadre de l’institut FC-LAB) visant à la modélisation multiphysique d’un groupe électrogène à pile à combustible et la modélisation et l’optimisation du système d’humidification d’un groupe électrogène à pile à combustible

- Projet européen « FELICITAS » (entrant également dans le cadre de l’institut FC-LAB) visant à la modélisation du comportement d’un système couplé pile à combustible basse température – pile à combustible haute température

- Projet « APUROUTE » (labellisé PACo) (entrant également dans le cadre de l’Institut FC-LAB) visant à la modélisation et à la caractérisation d’un groupe électrogène pile à combustible haute température avec reformeur intégré

- Modélisations multiphysique et multiéchelle de piles à combustible et systèmes (entrant également dans le cadre des activités de l’Institut FC-LAB)

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