Caractérisation des propriétés thermophysiques de mousses céramiques à haute température

Characterization of the thermophysical properties of ceramic foams at high temperature

• Auteur / Autrice : Morgan Sans
• Direction : Gilles Parent, Vincent Schick
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 06/11/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Mouna El Hafi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Parent, Cyril Caliot, Benoit Rousseau, Agnès Delmas, Johann Meulemans, Sophia Haussener
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cyril Caliot, Benoit Rousseau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Problèmes inverses

Monte-Carlo, Méthode de

Transfert de chaleur

Matériaux céramiques

Propriétés thermiques

Mousses (matériaux)

Mots clés libres

Mousses céramiques

Transferts thermiques couplés

Caractérisation thermique

Méthode flash

Méthode de Monte Carlo

Méthodes inverses

Ceramic foams

Coupled heat transfers

Thermal characterization

Flash method

Monte Carlo method

Inverse methods

Résumé

Depuis la fin du vingtième siècle, la recherche et le développement s'intéresse de plus en plus à l'utilisation des mousses céramiques solides pour une myriade d'applications hautes températures en raison d'avantageuses propriétés thermiques, mécaniques, chimiques ou optiques. Dans un contexte énergétique mondial qui tend vers une réduction de la consommation d'énergies fossiles et d'émissions de gaz à effet de serre, elles apparaissent comme une solution prometteuse par leur capacité à absorber, récupérer et convertir un flux radiatif important. Elles font notamment l'objet d'un intérêt grandissant dans le domaine du solaire thermique tandis que le LEMTA s'intéresse à ces matériaux comme récupérateur des chaleurs fatales liés aux procédés industriels à haute température (verrerie, cimenterie, métallurgie...). Cependant, certaines études ont montré que l'amélioration des systèmes actuels et futurs passe nécessairement par une meilleure compréhension du lien entre les propriétés structurales/thermiques/optiques associées à ces milieux hétérogènes (géométrie, porosité, diamètre de pores, conductivité, émissivité...) et les transferts de chaleur. Les objectifs de ce travail sont de fournir des outils de modélisation et de caractérisation pertinents qui permettent la description des transferts thermiques conductif, convectif (forcé) et radiatif. Trois méthodes de caractérisations proposées et sont détaillées dans ce manuscrit. 1. Dans le cas de transferts conducto-radiatif, la principale difficulté réside dans la capacité à séparer la contribution de chaque mode de transfert de chaleur. Afin de dépasser ces limites, une méthode transitoire sur le principe de la méthode flash a été utilisée. La mousse céramique, placée entre deux semelles céramiques puis au centre d'un four tubulaire, subit une excitation thermique tandis que l'élévation thermique est mesurée sur la face opposée à cette dernière. En parallèle, un modèle direct résolvant l'Equation de la Chaleur par la méthode des Volumes Finis et l'Equation du Transfert Radiatif par une méthode de Monte Carlo réciproque optimisée a été implémentée. Cette dernière permet, tout en conservant des temps de calcul raisonnable, de résoudre plus finement les transferts par rayonnement par comparaison avec les méthodes utilisées habituellement. Une estimation simultanée d'une conductivité phonique équivalente et d'une épaisseur optique équivalente a été réalisée sur une grande variété de mousses structurées et stochastiques composées de SiC ou de SiSiC jusqu'à 800 °C. Par comparaison avec des modèles simplifiés comme celui de Rosseland, cette étude permet de mieux appréhender la validité de l'approximation de la diffusion et d'orienter le choix de la modélisation et des paramètres à utiliser. 2. Une autre difficulté réside dans la capacité à résoudre numériquement un problème couplé directement sur la géométrie hétérogène 3D du milieu poreux. Une méthode de Monte Carlo permettant la résolution des deux modes de transfert en un seul algorithme a été étudiée. La méthode flash a été réalisée grâce à cette dernière de façon entièrement numérique. Elle permet une obtention plus rapide de la solution avec l'augmentation des transferts par rayonnement. La procédure proposée a permis l'estimation des propriétés équivalentes de mousses structurées (cellules de Kelvin). 3. Une méthode de caractérisation des coefficients de dispersion thermique axial et radial a été développée. Le banc expérimental est composé de 5 sections de 20 cm de mousses SiC séparées par des brides assurant la mesure de la température. Un écoulement d'air chaud est appliqué sur le milieu poreux à l'équilibre avec la température ambiante. En parallèle, un modèle à une température permet une résolution 2D axisymmétrique et multicouche du problème thermique. L'application d'un algorithme d'inversion permet l'estimation des deux coefficients pour différentes vitesses d'écoulement.

Since the end of the twentieth century, research and development has increasingly focused on the use of solid ceramic foams for a myriad of high-temperature applications because of their advantageous thermal, mechanical, chemical or optical properties. In a global energy context that is tending to reduce the consumption of fossil fuels and greenhouse gas emissions, they appear to be a promising solution due to their ability to absorb, recover and convert a large radiative flux. In particular, they are the subject of growing interest in the field of solar thermal energy, while LEMTA is interested in these materials as a recover of fatal heat present in high-temperature industrial processes (glassware, cement, metallurgy, etc.). However, some studies have shown that improving current and future systems requires a better understanding of the relationship between the structural/thermal/optical properties associated with these heterogeneous media (geometry, porosity, pore diameter, conductivity, emissivity, etc.) and heat transfers. The objectives of this work are to provide relevant modelling and characterization tools that allow the description of conductive, convective (forced) and radiative heat transfers. Three characterization methods are studied and detailed in this manuscript. 1. In the case of conductive and radiative transfer, the main difficulty lies in the ability to separate the contribution of each heat transfer mode. In order to exceed these limits, a transitional method based on the principle of the flash method was used. The ceramic foam, placed between two ceramic soleplates and in the centre of a tubular furnace, is thermally excited while the thermal elevation is measured on the side opposite the latter. In parallel, a direct model resolving the Energy Balance Equation by the Finite Volume Method while the Radiative Transfer Equation by an optimized reciprocal Monte Carlo method was implemented. The latter method allows, while maintaining reasonable calculation time, to solve radiation transfers more generally than the method usually used. A simultaneous identification of equivalent phononic conductivity and optical thickness was performed on a wide variety of structured and stochastic foams composed of SiC or SiSiC up to 800 °C. Compared to simplified models such as Rosseland's, this study provides a better understanding of the validity of the diffusion approximation and guides the choice of modeling and parameters to be used. 2. Another difficulty lies in the ability to numerically solve a coupled problem directly on the 3D heterogeneous geometry of the porous medium. A Monte Carlo method allowing the resolution of both transfer modes in a single algorithm has been employed. The flash method was performed thanks to the latter in a entirely numerical manner. It allows the solution to be obtained quickly with the increase in radiation transfer. The proposed procedure allowed the identification of the equivalent properties of structured foams (Kelvin's cells). 3. A method for characterizing axial and radial thermal dispersion coefficients has been implemented. the experimental bench is composed of 5 sections of 20 cm SiC foams separated by flanges for temperature measurement. A hot air flow is applied to the porous medium at equilibrium with the ambient temperature. In parallel, a one-temperature model allows a 2D axisymmetric and multilayer resolution of the thermal problem. The application of an inversion algorithm allows the estimation of the two coefficients for different flow rates.