Improvement of the accuracy of thermal simulations in automotive lighting systems
Amélioration des simulations thermiques dans les systèmes d'éclairage automobiles
Résumé
Automotive lighting systems are designed to illuminate the road optimally. Degradation of optical properties or plastics materials may altering the quality of lighting. In the design stage, thermal simulations are intended to minimize the costs of experimental tests performed on prototypes. With the apparition of new headlights optics, the Discrete Ordinates method (DO) is not suitable in certain cases due to a lack of accuracy when dealing with specular reflections and refractions. A raise of the spatial discretization could lead to significant time computation. To overcome this problem, we chose the Monte Carlo method in order to estimate flux densities to the walls in the case of opaque surfaces, or to estimate a radiative source term in the case of semi-Transparent media. Our algorithm is implemented in EDStar coding environment. This environment includes the PBRT synthesis images library allowing the use of raytracing techniques with our algorithm, thus reproducing optical paths of rays in a complex 3D geometry. The development of a reliable numerical model requires relevant parameters in input. This need led us to split the work into three main parts. The first axis includes a characterization phase of thermal properties of an incandescent lamp (25W) in order to model its radiative emission. Different measurements methods have been investigated to determine the temperature of the filament, which is the origine of heat transfers, and the temperature of the glass envelope. The second axis consists in obtaining a precise distribution of flux density distributions in order to locate hot spots and assess their extent. Finally, the third part of study is to couple the radiative calculation to CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations. CFD is here necessary to solve problems with convective phenomena coupled with other heat transfers in an industrial product.
Les systèmes d'éclairage automobiles sont conçus pour éclairer la route de manière optimale. Une dégradation des optiques et des matériaux plastiques peut altérer la qualité du faisceau lumineux. En phase de conception, les simulations thermiques visent à minimiser les coûts engendrés par les tests expérimentaux réalisés sur des maquettes. Avec le développement de nouvelles optiques, la méthode numérique des ordonnées discrètes, utilisée pour le calcul des transferts radiatifs, souffre d'un manque de précision en raison d'une discrétisation spatiale limitée pour les réflexions spéculaires. Une augmentation de la discrétisation pourrait mener à des temps de calculs importants. Pour palier à ce problème, la méthode de Monte Carlo a été choisie afin d'évaluer les densités de flux aux parois dans le cas des surfaces opaques, ou un terme source radiatif dans le cas des matériaux semi-Transparents. Notre algorithme est implémenté dans l'environnement de développement EDStar. Cet environnement inclut la bibliothèque de synthèses d'images PBRT permettant de reproduire les trajets optiques dans une géométrie 3D complexe. L'étude porte sur des produits d'éclairage composés de lampes, ainsi le développement d'un modèle numérique fiable requiert des paramètres pertinents en entrée de modèle. Les travaux ont donc été scindés en trois axes d'études. Le premier inclut une phase de caractérisation des propriétés thermiques d'une lampe à incandescence (25W). Différentes méthodes de mesures ont été étudiées pour déterminer la température du filament, moteur des transferts thermiques, et la température de l'enveloppe. Le second axe consiste à développer un modèle des transferts radiatifs dans le système d'éclairage. L'objectif est de localiser les zones de concentration du rayonnement et estimer leur étendue. Enfin, le troisième axe vise à coupler le calcul radiatif à des simulations thermiques dans l'outil de CFD Fluent. La CFD (Computational Fluid Dynamics) est ici nécessaire pour résoudre les problèmes convectifs couplés aux autres transferts thermiques dans un produit industriel.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
Loading...