Étude numérique et expérimentale des phénomènes d'ébullition : Application à la trempe

Numerical and experimental study of boiling flows : Application to quenching

• Auteur / Autrice : Charles Brissot
• Direction : Elie Hachem, Rudy Valette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 14/04/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Médéric Argentina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elie Hachem, Rudy Valette, Guillaume Lajoinie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuelle Abisset, Alvaro L.G.A. Coutinho

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Modélisation CFD

Métaux -- Trempe

Mots clés libres

Ébullition

Trempe

Changement de phase

Vaporisation

Éléments Finis

Méthode Level Set

Caléfaction

Écoulements multiphasiques

Approche Continuous Surface Force

Boiling

Quenching process

Phase Change

Vaporisation

Finite Element Method

Level Set method

Calefaction

Multiphase flows

Continuous Surface Force approach

Résumé

L'ébullition est un mode d'extraction de chaleur efficace utilisé dans nombre de procédés industriels dont la trempe. La trempe consiste à plonger une pièce de métal chaude dans un fluide pour la faire refroidir rapidement. Cette opération permet d'obtenir des microstructures possédant d'excellentes propriétés mécaniques, à condition de bien contrôler le refroidissement de la pièce. Les échanges de chaleur étant gouvernés par le comportement du fluide, il est donc essentiel de bien comprendre les mécanismes d'ébullition. Cette thèse est intégrée à la chaire industrielle INFinity qui réunit un consortium de douze industriels désirant accroitre leurs compréhension de la trempe. Pour répondre à leur besoin, une approche par simulation numérique des écoulements fluides (CFD) est employée. C'est un outil puissant qui permet la représentation virtuelle des phénomènes physiques en jeu. Appliquée à des cas industrielle, la CFD permet d'anticiper la plupart des problématiques du procédé, et ainsi d'éviter de nombreux essais expérimentaux. Ce travail s'est donc concentré sur le développement d'un outil de simulation de trempe à échelle industrielle. Pour ce faire, la démarche se décompose en quatre étapes: (i) analyser les phénomènes physiques prépondérants afin de simplifier le problème étudiée, (ii) implémenter un modèle Éléments Finis qui résout les écoulement multiphasiques avec changement de phase, (iii) valider ce modèle en simulant le mode de caléfaction lors de la trempe d'une sphère et en ébullition par film vertical, et (iv) enrichir le modèle pour envisager tous les modes d'ébullition afin d'aboutir à un outil complet de modélisation de trempe à usage industriel. Un travail analytique sur les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie dans le cadre de la trempe est présenté. En découle un travail numérique qui a mené à un outil basé sur la méthode Level Set et l'approche Continuous Surface Force. Ce modèle est validé sur différents cas tests 2D et 3D de complexités croissantes. Un travail expérimental sur l'étude de la trempe de billes de nickel a permis de compléter cette approche. Enfin des validations sur un cas académique plus complexe et sur deux cas industriels sont présentées avec une discussion sur les hypothèses et la validité du modèle.

Boiling is an efficient way of extracting heat from a solid. It is used in many industrial processes among which quenching. Quenching consists in the rapid cooling of a metallic part inside a fluid in order to improve the material properties of the microstructure. The control of the temperature variations is of great importance in this process. Thus, the understanding of boiling is fundamental as it drives the cooling rate. This thesis is part of the industrial Chair INFinity that gathers a consortium of twelve companies. They share a common will to improve their knowledge on quenching thanks to numerical simulation. Computational Fluid Dynamics (CFD) is a solution to reduce the number of full scale experiments for every new quenched part, as well as to provide a powerful tool describing the underlying physics. We thus aimed at developing a tool to simulate the quenching process at an industrial scale. To do so, different aspects have be studied: (i) analyse the most important features of boiling to simplify the problem, (ii) implement a numerical Finite Element framework to properly simulate multiphase systems with phase change, (iii) challenge the model with the simulation of film boiling on a sphere quenching experiment and on a vertical film boiling benchmark and (iv) enrich the model to account for all boiling modes and to implement a quenching model that can handle industrial applications. An analytical work on the mass, momentum and energy conservation equations in the context of quenching is proposed. A numerical work is tackled to develop a tool based on a Level Set framework and a Continuous Surface Force approach. Validations are then done on 2D and 3D benchmarks of increasing complexities. An experimental work on the quenching of mall nickel spheres has been done. Validations on academic and industrial benchmarks with discussion on the assumptions and the validity of the model are presented.