Analyse des transferts convectifs autour de moules simples dans un autoclave modèle

Analysis of convective transfer around simple molds inside a model autoclave

• Auteur / Autrice : Taleb Ghamlouch
• Direction : Vincent Sobotka, Jean-Luc Bailleul, Stéphane Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 20/04/2018
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermocinétique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Gobin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Glouannec, Gildas Lalizel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Béatrice Patte-Rouland, Adrien Toutant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Autoclaves

Chaleur -- Convection

Turbulence

Mots clés libres

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Résumé

Ces dernières années, l'utilisation de matériaux composites légers et à hautes performances a considérablement augmenté dans de nombreux secteurs industriels. Toutefois, il est évident que le contrôle du champ de température et notamment la minimisation des gradients thermique et de transformation est indispensable à la bonne qualité des pièces. Parmi les différentes méthodes de fabrication existantes, la cuisson des pièces composites par autoclave est largement répandue notamment dans la filière aéronautique. Cette technique permet la réalisation de pièces composites techniques et de grande qualité. Au sein de l’autoclave, les transferts de chaleur sont majoritairement convectifs entre l’ensemble pièce composite plus moule et son environnement. Il s’avère donc nécessaire de connaître (voire d’optimiser) la distribution du coefficient d’échange convectif autour de ces moules. Pour apporter des éléments de réponse à cette problématique, nous présentons dans nos travaux une nouvelle approche consistant à effectuer des mesures expérimentales dans un « autoclave modèle » à échelle réduite, représentatif d’un autoclave industriel. Cet autoclave modèle a été conçu et fabriqué en se basant sur les lois de similitude. L'un des avantages de notre configuration est évidemment la facilité d'utilisation des instruments de mesure non intrusifs et fiables tels que la PIV (Particle Image Velocimetry) pour la mesure du champ de vitesse, et la caméra infrarouge pour la détermination de la distribution des coefficients d’échange autour de moules simples et représentatifs. En parallèle, des modèles numériques qui représentent les configurations d’études expérimentales ont été construits avec le code CFD Ansys Fluent 16©. Les principaux résultats obtenus à partir de ce travail ont montré une distribution non uniforme des coefficients d’échange convectifs autour des moules. Cette hétérogénéité peut conduire à la présence de gradients de température importants au sein des pièces composites fabriquées qui peuvent affecter leur qualité finale. De plus, ces résultats indiquent que le chargement simultané de plusieurs pièces peut engendrer des degrés de cuisson différents entre elles. Cela peut contribuer à la production de pièces composites de qualités différentes. Une étude d’optimisation a conduit de proposer une conception géométrique optimale des supports de moules qui permet à la fois d’intensifier les coefficients d’échange convectifs et de minimiser les hétérogénéités. La comparaison entre les résultats numériques, aérodynamiques et thermiques, et ceux issus des mesures expérimentales a montré un bon accord permettant de valider le code de calcul.

In recent years, the use of high performance and lightweight composites materials has increased considerably in many industrial sectors. However, the temperature distribution within composite parts produced using the current manufacturing methods plays a key role in determining the parts quality at the end of the process. Among the existing various fabrication methods, the autoclave molding is considered as one of the best methods to manufacture advanced and high quality composite parts. During autoclave molding, heat transfer between the composite parts and the surroundings is strongly coupled with the flow field around their molds and modeled through the convective heat transfer coefficient. The purpose of this study is therefore to develop a new approach for performing experimental measurements in order to analyze the local velocity field and convective heat transfer coefficient distribution around simple and representative industrial molds. The implemented experimental approach is based essentially on the use of a reduced scale autoclave designed thanks to similarity laws, and instrumented by means of non-intrusive measuring instruments such as Particle Image Velocimetry (PIV) and infrared imaging. Furthermore, Computational Fluid Dynamics calculations of the flow field and convective heat transfer were performed using ANSYS Fluent 16.0®. This local investigation has revealed a non-uniform distribution of the convective heat transfer coefficient around the molds. This heterogeneity can directly impact the parts quality during an autoclave process in view of high temperature gradient. Furthermore, the study has shown the presence of shadowing effects during the process of several molds together which can lead to production of composite pieces with different qualities. An optimization study has permitted to propose an optimal geometric design of the supports of the molds that allows the intensification of the convective heat transfer coefficients and the reduction of the heterogeneities. The experimental and the numerical results were in good agreement, leading then to the validation of the performed numerical simulations.