Thèse soutenue

Modélisation des propriétés radiatives spectrales de microstructures poreuses réfractaires

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Auteur / Autrice : Cyril Daoût
Direction : Olivier RozenbaumDenis Rochais
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Énergétique
Date : Soutenance le 02/03/2023
Etablissement(s) : Orléans
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...) - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (Monts, Indre-et-Loire)
Jury : Président / Présidente : Nadjib Semmar
Examinateurs / Examinatrices : Nadjib Semmar, Agnès Delmas, Benoit Rousseau, Franck Enguehard, Laurent Pierrot
Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Delmas, Benoit Rousseau

Résumé

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Les milieux poreux céramiques sont, depuis plusieurs décennies, largement utilisés dans les applications hautes températures du fait de leur très bonnes capacités d'isolation thermique. L'évolution des moyens de calculs informatiques a conduit au développement de modèles numériques performants permettant de prédire les champs de température et de flux auxquels ces matériaux sont soumis en régime de fonctionnement. Néanmoins, il subsiste encore des cas d'études pour lesquels ces modèles ne sont pas adaptés et ne permettent pas de rendre compte de la physique des transferts thermiques avec suffisamment de fidélité. Les matériaux semi-transparents, régulièrement utilisés dans les applications hautes températures, en sont un exemple concret. En effet, le comportement radiatif de ces matériaux varie à la fois avec la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique et avec la température. Ainsi, avec des modèles de transferts thermiques gris, pour lesquels les caractéristiques radiatives sont considérées constantes sur tout le domaine spectral quelle que soit la température, il n'est pas possible de prédire correctement le comportement thermique réel d'un milieu semi-transparent. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer un modèle du transfert thermique couplé conducto-radiatif prenant en compte la dépendance spectrale des échanges radiatifs. Ce modèle permet alors de simuler plus précisément, en régime transitoire et à des températures élevées, le comportement thermique de volumes numériques représentatifs de milieux semi-transparents multiphasiques. Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie permettant l'identification, en fonction de la température, de l'indice de réfraction complexe spectral intrinsèque des microconstituants (ou phases) du milieu semi-transparent a été développée. Cette méthodologie, qui combine outils numériques (génération de milieux, lancer de rayons par méthode de Monte-Carlo) et expérimentaux (spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier) offre la possibilité d'extraire des caractéristiques radiatives à une échelle microscopique à partir de mesures réalisées à l'échelle macroscopique. Appliquée à un matériau multiphasique, il a ainsi été possible d'identifier les contributions radiatives de chacune des phases solides en présence, contrairement aux méthodes plus classiques ne permettant qu'une identification de caractéristiques effectives. Les indices de réfraction complexe spectraux ainsi identifiés ont pu, dans un second temps, être utilisés dans un code de calculs de transferts conducto-radiatifs, en les attribuant à chaque voxel (ou maille) associé à une phase d'un volume numérique représentatif du matériau étudié. Des modèles à bandes spectrales ont alors été implémentés, en régime stationnaire et transitoire, dans le code de calcul pour prendre en compte l'évolution spectrale des caractéristiques radiatives des microconstituants du matériau semi-transparent. Ces adaptations ont finalement permis de reproduire numériquement des comportements thermiques complexes observés expérimentalement et qui ne sont pas prévisibles par des modèles gris classiques.