From the determination of thermal properties of fibers to multiscale modeling of heat transfer in composites

par Ketaki Mishra

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Steven Le Corre, Bertrand Garnier et de Nicolas Boyard.

Soutenue le 09-10-2019

à Nantes , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (COMUE) et de Laboratoire de thermocinétique (Nantes) (laboratoire) .

Le président du jury était Nathalie Trannoy.

Les rapporteurs étaient Christophe Pradere, Chung Hae Park.

  • Titre traduit

    De la détermination des propriétés thermiques des fibres à la modélisation multi-échelles du transfert de chaleur dans les composites


  • Résumé

    La prédiction de la conductivité effective des composites nécessitent des informations aux petites échelles et le développement de modèles pertinents. Dans notre travail, la méthode 3ω est utilisée pour estimer la conductivité thermique axiale et radiale ainsi que la capacité thermique volumique de fibres de carbone. En utilisant des modèles analytique et numérique, une analyse de sensibilité est effectuée pour choisir une plage de fréquence de travail appropriée. Une source de courant constante sur la méthode 3ω utilisé pour mesurer la conductivité thermique de chromel et de fibres de carbone de type FT300B et FT800H. Les conductivités thermiques axiales estimées sont en accord avec les valeurs de la littérature. La conductivité thermique radiale estimée pour la fibre de carbone FT300B est 10 fois inférieure à la valeur axial et affiche une incertitude bien plus incertitude bien plus grande en raison de faibles coefficients de sensibilité La conductivité thermique effective a été calculée à l’aide d’une technique d’homogénéisation pour des microstructures avec des carrées uniformes (100 fibres) et bandes de composites (700 fibres). Un modèle thermique 3D est développé pour la simulation de la dépose de bandes chauffées par une source laser dans placement automatique de fibres (AFP). Des maillages adaptés aux microstructures des bandes Solvay et Suprem sont générés. La distribution de la source de chaleur dans le composite au cours de sa fabrication a été calculée. Son influence sur la distribution de la température montre une forte inhomogénéité de la température à l'intérieur de la bande. La température moyenne calculée est comparée aux résultats expérimentaux. Les résultats confirment le besoin de modèles continus spécifiques.


  • Résumé

    The prediction of effective thermal properties of composite requires information at small scale and also appropriate numerical 3D models able to account explicitly the local distribution of fibers. In our work, the 3ω method is used for estimating the axial and radial thermal conductivities and volumetric heat capacity of single carbon fiber. Using analytical and numerical models, a sensitivity analysis is performed for choosing a proper frequency range. A constant current source with differential and lock-in amplifiers are used to measure the thermal conductivity of chromel, and FT300B, FT800H carbon fibers. The measured axial thermal conductivities are in good comparison with the literature values. The estimated radial thermal conductivity of FT300B carbon fiber is 10 times lower than the axial one and shows much larger confidence band due to smaller. sensitivity coefficients. The computation of the effective thermal conductivity by homogenization technique is done for uniform square cell microstructures (100 fibers) along with composite tapes (700 fibers). The effective properties of tapes are interesting for advanced manufacturing techniques such as Automated Fiber Placement (AFP). A 3D thermal model is developed for the tapes heated by a laser source. Meshes in resemblance to the multiple microstructures of Solvay and Suprem tapes are generated. The heat source distribution within the composite during manufacturing is presented and the temperature distribution shows a strong inhomogeneity of the temperature inside the tape. The calculated average temperature is compared with the experimental results. Results confirm the need for specific continuous models.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université de Nantes. Service commun de la documentation. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.