Conduction inverse sur un cylindre en rotation : Cas de l'ébullition convective induite par l'impact d'un jet d'eau

Inverse heat conduction on a rotating cylinder : Case of boiling convection induced by the impingement of a water jet

• Auteur / Autrice : Fabien Volle
• Direction : Michel Lebouché
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Convection

Ébullition

Refroidissement

Problèmes inverses

Résumé

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons au problème du refroidissement par impact de jet d’une surface en défilement portée à haute température. Il s’agit de mieux appréhender les mécanismes d’ébullition résultant de l’interaction entre le jet et la paroi. L’application industrielle visée est liée à l’industrie métallurgique. Elle concerne le processus de laminage à chaud, durant lequel des plaques d'acier portées à des températures comprises entre 750 et 1000°C subissent une trempe (jets à environ 75°C) dont la cinétique conditionne la microstructure du produit sidérurgique et détermine par conséquent ses propriétés mécaniques. Notre objectif est de mettre au point une méthodologie de mesure des flux extraits lors de l’impact d’un jet sur une surface en défilement. Fournir ce type de mesures sur une large gamme de températures correspondant à l'ébullition nécessite le développement d'une méthode d'estimation stable, étroitement associée à un banc et à une procédure expérimentale spécifique. La méthode proposée consiste à analyser des réponses en température mesurées sur un cylindre solide en rotation et impacté par un jet. Une transformation de Fourier est appliquée à la transformée de Laplace des signaux fournis par plusieurs thermocouples implantés en proche paroi. Dans le cas où le problème est considéré comme linéaire, une relation explicite entre la transformée de Laplace-Fourier de la température interne et la transformée de Fourier de la distribution temporelle de flux de chaleur pariétal peut être trouvée. L’inversion de cette relation fournit un algorithme explicite permettant d’estimer aisément les distributions spatiale et temporelle de flux de chaleur pariétal. Des simulations d’inversion ainsi que des mesures réelles sont présentées : elles montrent la robustesse de la technique d’inversion et permettent d’étudier l’influence sur les transferts de paramètres tels la vitesse, la température du jet et la vitesse de défilement de la paroi.

In this thesis, we are interested in the problem of cooling by an impinging jet of a hot moving surface. One of the objectives is a better understanding of the boiling mechanisms resulting from the interaction between the jet and the wall. The industrial application is related to the steel industry. It concerns hot rolling process, during which steel plates brought up to temperatures ranging from 750 to 1000°C undergo a quenching by water jets (temperatures around 75°C) whose kinetics fixes the microstructure of steel and consequently determines its mechanical properties. Another objective is to develop a methodology for determining the heat fluxes extracted during the impingement of a moving surface by a water jet. The development of a stable estimation method, closely associated to an experimental bench and a specific procedure, allows to provide this type of indirect measurements on a broad range of temperatures corresponding to boiling. The proposed inverse heat conduction method consists in analyzing temperature responses measured on a rotating solid cylinder impinged by a water jet. A Fourier transform is applied to the Laplace transform of the signals provided by several thermocouples embedded at a fixed radius close to the wall. In the case of a linear problem, an explicit relationship between the Laplace-Fourier transform of the internal temperature and the Fourier transform of the temporal distribution of parietal heat flux can be found. The inversion of this equation provides an explicit algorithm making an easy estimation of the space and temporal distributions of parietal heat flux possible. Simulations of inversion and real measurements are presented: they show the robustness of the inversion technique and allow to study the influence on heat transfers of parameters such as velocity, temperature of the jet and wall velocity.