Couplage aéro-thermo-mécanique pour la prédiction de la déformation d'une plaque soumise à une flamme

Fluid-thermal-structural coupling to predict the deformation of a plate impacted by a flame

• Auteur / Autrice : Bénédicte Baqué
• Direction : Frédéric Feyel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 25/04/2012
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) - Centre des Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Denis Maillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Feyel, Morgan Balland, Emmanuel Laroche, Serge Piperno
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrick Le Tallec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes thermiques

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Couplage fluide-structure

Aéro-thermique

Thermo-mécanique

Algorithme de couplage partitionné

Couplage à 3 codes

Interaction flamme-paroi

Fluid-structure coupling

Conjugate heat transfer

Thermo-viscoplastic behavior

Partitionned scheme

3 codes coupling

Flame-wall interaction

Résumé

Cette thèse consiste à mettre en place un couplage externe aéro-thermo-mécanique, sur la base d'un schéma partitionné, entre les codes de recherche CEDRE (mécanique des fluides, volumes finis) et Z-set (modules indépendants pour la mécanique des structures et la thermique du solide, éléments finis). Les résultats numériques sont confrontés à ceux de l'expérience (une campagne de mesures a été menée dans le cadre de cette étude), dans le cas d'un problème complexe lié au domaine de l'aérospatial : l'interaction flamme-paroi. Ce phénomène est piloté par la thermique, à travers le flux de chaleur pariétal généré par la flamme. A cause de la disparité des temps caractéristiques thermiques entre les milieux fluide et solide, la partie aéro-thermique du couplage est traitée de façon simplifiée, en considérant le fluide comme une suite d'états stationnaires. L'échauffement de la plaque métallique provoque sa déformation (la loi de comportement mécanique du matériau est de type élasto-visco-plastique). Le déplacement de l'interface fluide-structure est propagé sur le maillage fluide. En se basant sur les similitudes entre jets non réactifs et réactifs (de type flamme) dans le cas de l'impact, des calculs couplés sont menés dans des configurations 2D et 3D de l'impact d'un jet chaud non réactif.

This thesis consists in setting up an external fluid-thermal-structural coupling, based on a partitionned scheme, between the research codes CEDRE (fluid mechanics, finite volumes) and Z-set (independent solvers for structural mechanics and heat transfer through the solid). The numerical results are compared with experimental data, to study a complex problem related to the aerospace certification process: the flame-wall interaction. This phenomenon is is driven by the heat flux generated by the flame close to the wall. Because of the disparity of thermal characteristic times between the fluid and the solid, the aero-thermal part of the coupling is simplified by considering the fluid as a sequence of steady states. The heating of the metallic plate causes its deformation (the material has a viscoplastic behavior). The displacement of the fluid-structure interface is propagated through the fluid mesh. Based on similitudes between impinging reacting jets (flames) and non-reacting jets, coupled computations are performed in 2D and 3D configurations with an equivalent non-reacting hot jet.