Simulation numérique de dépôts céramiques plasma

Numerical simulation of ceramic plasma spray coating

• Auteur / Autrice : Frédéric Sarret
• Direction : Stéphane Vincent, Cédric Le Bot, Jean-Paul Caltagirone
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 18/06/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Daniel Morvan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Erick Meillot, Gérard Louis Vignoles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Gobin, Rodolphe Bolot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Transfert de chaleur

Écoulement polyphasique

Projection au plasma

Simulation par ordinateur

Dépôts céramiques

Mots clés libres

Projection plasma

Dépôt

Impact de particule

Écoulement multi-phasique

Transferts thermiques

Solidification

Turbulence

Méthode VOF-SM

Plasma spray

Coating

Particle impact

Multiphase flow

Heat transfers

Solidification

Turbulence

VOF-SM method

Résumé

Cette thèse apporte une contribution à la simulation numérique de la construction de dépôts dans le cadre de la projection plasma type APS (Atmospheric Plasma Spraying). Ce travail est focalisé sur la construction d’un volume représentatif du revêtement en prenant en compte l’ensemble des phénomènes propres au procédé, tels que la nature de l’écoulement de gaz, la cinétique (multiphasique, mouillabilité) et la thermique (transferts thermiques, résistance thermique de contact, solidification) durant l’impact et l’empilement de particules. Une méthode numérique particulière, appelée VOF-SM (Volume Of Fluid - Sub Mesh), est développée. La simulation de l’impact d’un jet instationnaire et turbulent de plasma ArH2 sur un substrat a été réalisée pour définir la nature de l’écoulementen proche paroi et le transfert thermique entre cet écoulement et le substrat. Les phénomènes propres à l’impact de particules ont été intégrés au code de calcul Thétiset validés indépendamment par comparaison à des solutions analytiques et combinés par comparaison à un cas d’étude expérimentale millimétrique. Enfin, une étude d’impacts successifs de particules de Zircone Yttriée sur un substrat en acier a été menée, par une approche en similitudes thermique et cinétique pour pallier la difficulté de la résolution à petites échelles.

This PhD thesis is a contribution to the numerical simulation of the plasma sprayedcoating build-up by APS process (Atmospheric Plasma Spraying). This work focuses onthe build-up of a representative volume of the coat considering a great range of phenomenonappearing in APS process such as gas flow properties, kinetic (multiphase flow,wettability) and thermal (heat transfers, thermal contact resistance, solidification) duringthe impact and steaking of particles. An original numerical method, named VOF-SM(Volume Of Fluid - Sub Mesh) is developped. The simulation of the impact of an unsteadyand turbulent ArH2 plasma flow is carried out in order to define the gas flow closeto the wall and heat transferred to the substrate by the plasma. Specific phenomena of theimpact of particles were incorporated into the CFD code (Thétis) and validated independentlyby caparison with analytical solutions, then together combined by the comparisonto a millimeter size impact experimental data. Finally, a study of successive impacts ofYttria-Stabilized Zirconia particles onto a steel substrate was carried out by thermal andkinetic approach similarities to overcome the difficulty of resolving small scales.