Matériaux cellulaires isolants haute température : Relation microstructure-propriétés

High temperature insulating cellular materials : Microstructure-property relationships

• Auteur / Autrice : Zi Kang Low
• Direction : Dominique Baillis, Nawfal Blal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 27/11/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Samuel Forest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Baillis, Nawfal Blal, Samuel Forest, Sophia Haussener, Benjamin Rémy, Laurent Pierrot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophia Haussener, Benjamin Rémy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conductivité thermique

Transfert de chaleur

Mousses (matériaux)

Propriétés thermiques

Mots clés libres

Thermique

Mousses céramiques

Conductivité thermique

Haute température

Homogénéisation

Couplage conduction-Rayonnement.

Modèles numériques

Transfert de chaleur

Transfert radiatif

Thermal Behaviour

Ceramic foam

Thermal conductivity

High temperature

Homogenization

Conduction-Radiation coupling

Numerical model

Heat transfer

Radiative transfer

Résumé

Cette thèse CIFRE réalisée en collaboration avec Saint-Gobain Research Provence porte sur la modélisation des propriétés thermiques d’une mousse d’alumine NorFoam XPure®, conçue pour l’isolation thermique haute température (1200°C–1700°C). L’objectif est de développer et valider des modèles numériques multiéchelles pour calculer le transfert de chaleur par conduction et rayonnement dans cette mousse, à partir des microstructures 3D tomographiées et des propriétés intrinsèques des composants. La mousse étant composée des cellules ouvertes et d’un squelette solide lui-même poreux, la prise en compte de l’influence de cette double porosité est particulièrement novatrice. Dans un premier temps, le transfert thermique par conduction à travers la mousse est modélisé avec des techniques d’homogénéisation par éléments finis. Il est démontré que des conditions aux limites périodiques couramment utilisées ne sont pas adaptées aux mousses tomographiées, et qu’un jeu de conditions aux limites mixtes permet d’obtenir des résultats plus précis sur ces dernières. Quant au transfert radiatif à travers le squelette poreux, qui présente une forte diffusion volumique avec des phénomènes ondulatoires, le développement d’une nouvelle approche de modélisation basée sur l’approximation dipolaire discrète permet de prendre en compte l’influence desdits phénomènes. Les propriétés radiatives de la mousse sont ensuite calculées par méthode de lancer de rayons en tenant compte du comportement radiatif complexe du squelette poreux. L’influence des phénomènes de réflexion et réfraction non-spéculaires aux interfaces entre le squelette et les cellules a été étudiée. Enfin, une modélisation numérique basée sur les techniques d’homogénéisation permet de calculer le transfert thermique à travers la mousse, avec couplage de la conduction et du rayonnement. Le bon accord entre les résultats issus de chaque modèle et les mesures thermiques et optiques réalisées sur la mousse et le squelette poreux confirme le caractère prédictif des modèles développés.

This CIFRE doctoral study, performed in collaboration with Saint-Gobain Research Provence, aims to model the thermal properties of NorFoam XPure®, an alumina foam designed for high temperature thermal insulation (1200°C–1700°C). The goal is to develop and validate multiscale numerical models to compute the conductive and radiative heat transfer through the foam from 3D tomography-reconstructed microstructures and the intrinsic properties of each constituent phase. Specific attention is given to the complex porosity in the studied foam: in addition to the open-cell network, smaller pores are also found within the foam skeleton. Novel approaches are proposed in the present work to take into account the influence of this dual-scale porosity. Firstly, effective heat conduction through the foam is modeled with finite element homogenization techniques. It is demonstrated that the commonly used periodic boundary conditions are unsuitable for tomography-reconstructed foams, and that a set of mixed boundary conditions gives more accurate and precise results for such foams. As radiative transfer through the porous foam skeleton is characterized by high volume scattering and significant wave effects, a novel physical optics approach based on the discrete dipole approximation is next developed to model the influence of these phenomena. The radiative properties of the foam are then determined through a ray tracing method that takes into account the complex radiative behavior of the porous foam skeleton. The influence of non-specular reflection and refraction at the interfaces between the foam cells and skeleton is studied. Finally, the homogenized properties are applied to simulate the coupled conductive and radiative heat transfer through the foam. The model predictions are systematically compared to thermal and spectroscopic measurements performed on samples of the foam and the foam skeleton material. The good agreement between numerical and experimental results confirms the predictive capabilities of the models developed in this study.