Modélisation et caractérisation thermique à très haute température de matériaux poreux en carbone destines à l'isolation des corps de rentrée dans l'atmosphère

= Thermal modelisation and characterisation at very high temperature of carbon porous materials for atmospheric reentry insulation

• Auteur / Autrice : Jean-Marc Goyheneche
• Direction : Jean-François Sacadura
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance en 1997
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Transfert de chaleur

Matériaux -- Propriétés thermiques

Matériaux poreux

Résumé

L'étude se décompose en trois parties. La première, analytique et numérique, montre que le transfert de chaleur couplé conduction-rayonnement dans un isolant poreux en carbone est bien représenté par un modèle de diffusion dont la conductivité apparente représente à la fois les échanges radiatifs et le transfert de chaleur conductif dans le matériau. Dans cette étude, le transfert radiatif dans un milieu semi-transparent est modélisé par la méthode des Zones de HOTTEL, étendue aux milieux à diffusion anisotrope pour pouvoir être appliquée au problème. La deuxième partie, expérimentale, concerne la caractérisation proprement dite des isolants poreux en carbone. La mesure de conductivité apparente est réalisée : de 20 oc à 500 oc par méthode photo-thermique impulsionnelle (méthode flash), et de 1000 °C à 2800 °C par méthode photo-thermique périodique (méthode modulée). Ce dernier montage fait l'objet d'une étude approfondie. Par ailleurs, un dispositif expérimental permettant de mesurer les propriétés radiatives spectrales (10. 6 µm) des isolants poreux en carbone a été mis en place. Enfin, pour valider l'ensemble de l'étude, un dispositif expérimental permet de simuler le comportement thermique d'un isolant carbone poreux en conditions opérationnelles. La troisième partie concerne la caractérisation de plusieurs isolants poreux en carbone. La mesure de conductivité apparente indique une influence progressive des échanges radiatifs au sein du matériau lorsque la température de ce dernier augmente. Par ailleurs, la difficulté de mesurer les propriétés radiatives des isolants poreux en carbone montre la pertinence d'une approche globale. Enfin, les simulations expérimentale et numérique du comportement thermique de ces matériaux en conditions opérationnelles conduisent à une analyse critique de l'ensemble des résultats.

This research work consists of three parts. An analytical and numerical first part demonstrates that a diffusion model is very well adapted to the modelling of radiative-conductive coupled heat transfer in carbon porous materials. This model features an apparent conductivity which represents the radiative and conductive exchanges in the medium. Radiative transfer is strictly modelled herein using the HOTTEL Zone Method, the latter being extended to anisotropic scattering media in order to be applied to the problem. An experimental second part deals with carbon porous materials characterization. Apparent conductivity measurements are performed from 20°c to 500°c using the flash method, and from 1000°c to 2800°c using a modulated technique. A thorough study is developed from this experimental device. An experimental set-up for the measurement of spectral (1 0. 6 µm) radiative properties of carbon porous materials is performed. Then, in order to validate all the study, a fourth experimental system is devised to simulate thermal behavior of carbon porous materials in operational conditions. The third part deals with the characterization of some carbon porous materials. Conductivity measurements indicate the progressive influence of radiative exchanges into the medium when its temperature rises. Besides the difficulty encountered in measuring radiative properties of carbon porous materials shows the relevance of a global approach. Finally, experimental and numerical simulations of the thermal behavior of these materials in operational conditions lead to a critical analysis of results