Thèse soutenue

Contrôle de la texture du transfert thermique couplé par rayonnement et par conduction dans les milieux fibreux à haute température
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Auteur / Autrice : Atin Kumar
Direction : Benoit RousseauJérôme Vicente
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Energetique, thermique, combustion
Date : Soutenance le 26/03/2021
Etablissement(s) : Nantes
Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes
Jury : Président / Présidente : Gérard Louis Vignoles
Examinateurs / Examinatrices : Christophe Binétruy, Jean Lachaud
Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Fournier, Sophia Haussener

Mots clés

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Résumé

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La modélisation des transferts conducto-radiatifs a haute température (jusqu'a 2500 K) au sein de feutres hautement poreux (CALCARB R) à base de fibres de carbone microniques alliées à la compréhension des paramètres texturaux les gouvernant permettent de poser les étapes clés d'une démarche robuste d'optimisation de leur pouvoir d'isolation thermique. Afin de modéliser finement les transferts conducto-radiatifs, les propriétés texturales 3D d'un feutre ainsi que les propriétés thermiques (conductivité) et optiques des fibres de carbone constitutives ont été déterminées au préalable en utilisant différentes méthodes expérimentales telles que la tomographie X a haute résolution, la spectroscopie micro-Raman, et la spectroscopie d’émission infrarouge. En particulier, la conductivité thermique longitudinale des fibres de carbone a été obtenue en utilisant la méthode Raman optothermique qui a été adaptée aux fibres de carbone en développant un modèle approprié. Dans ce travail, un code numérique parallélise a été par ailleurs développé pour estimer le transfert de chaleur effectif en couplant la conduction et le rayonnement a l’échelle locale dans un squelette 3D digitalise et constitue de fibres opaques baignant dans le vide. Le code est base sur la méthode des volumes finis pour reproduire les transferts conductifs au sein du maille a base de voxels, méthode qui est couplée avec une technique de lancer de rayon accélérée pour le calcul du facteur d’échange radiatif entre éléments triangules opaques. Cette approche utilise une méthode de décomposition de domaine qui permet de résoudre des géométries complexes avec des centaines de millions d'inconnues, et de gagner un temps de calcul important sans trop compromettre la précision de la solution. Le code numérique (C++, Qt) ainsi mis au point a fait l'objet de validations par des comparaisons avec des résultats standards de la littérature récente ou obtenus a l'aide de logiciels commerciaux ou encore par voie expérimentale (ETC acquises par Flash laser sur des échantillons représentatifs de CALCARB R). Enfin, la dépendance des propriétés texturales clés sur le transfert de chaleur couple a été étudiée. A cette fin, un générateur de matériau fibreux virtuel base sur un algorithme d'adsorption séquentielle aléatoire et capable de créer des matériaux virtuels \réalistes" avec une fonction de distribution prédéfinie pour contrôler la taille et l'orientation des fibres a été développé. L'usage combine des deux outils numériques permet d’étudier l'impact des paramètres texturaux majeurs sur le transfert de chaleur couple. Une première expression liant l'ETC d'une part et la porosité et le diamètre de fibres d'autre part est ici donnée.