Développement numérique en C++ et éléments finis d'un solveur aérothermique diphasique pour des applications de fabrication additive comme la pulvérisation à froid pour le revêtement des matériaux

Numerical development in C++ and finite elements of a two-phase aerothermal solver for additive manufacturing applications such as cold spraying for coating materials

• Auteur / Autrice : Thibaut Devos
• Direction : Elie Hachem
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mathématiques numériques, Calcul intensif et Données
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2020
• 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 opérateur d'inscription : Université de Recherche Paris Sciences et Lettres (2015-2019)

Mots clés

Mots clés libres

Mécaniques des fluides

Procédé

Cold spray

Simulation

Fluid mechanics

Process

Cold spray

Simulation

Résumé

Le développement d'outils numériques permettant la simulation réaliste du procédé cold spray à l'échelle industrielle est envisagé dans ce projet. La mécanique des fluides est simulée en utilisant une méthode vibrationnelle mutli-échelle (LES implicite) permettant de considérer des écoulements à différents nombre de Reynolds. Les transferts thermiques sont calculés directement sans l'utilisation de coefficients de transferts empiriques, en utilisant le couplage fort entre le fluide, le gaz et le solide. Une formulation unifiée des équations de Navier-Stokes pour les écoulements compressibles et supersoniques est envisagée. Son extension pour l'adapter à l'écoulement biphasé (gaz-particules) en régime supersonique formera la partie innovante de cette thèse. Nous développons ainsi un estimateur d'erreur a posteriori et donc une métrique dédiée à ce type d'écoulement supersonique pour le maillage anisotrope en parallèle pour à la fois augmenter la précision du nouveau solveur et réduire les couts de calcul en 3D. La validation des modèles avec des données expérimentales acquises grâce à un système développé au CDM, permettant de réaliser à la fois des mesures de vitesse des particules par PIV (Particle Image Velocimetry) et des observations de l'écoulement du gaz par ombroscopie. Les résultats du projet serviront à qualifier cette technologie pour toutes les applications potentielles. Une première application consiste à optimiser des géométries des buses (droites et coudées) pour des applications discutées avec Renault. Une deuxième s'orientera vers l'étude de l'effet de l'angle de projection et de la distance de projection avec la buse actuelle et les nouveaux designs sur le phénomène d'onde de choc et ses conséquences sur le rendement de projection sur des applications qui intéressent d'autres partenaires potentiels, comme par exemple le majeur producteur de systèmes cold spray, Impact Innovations Gmbh. Finalement, la fabrication additive de buses prototypes, spécifiques à chaque application, et essais de projection de revêtements seront extrêmement utiles pour confirmer les résultats.

The development of numerical tools allowing the realistic simulation of the cold spray process on an industrial scale is envisaged in this project. Fluid mechanics is simulated using a multi-scale vibrational method (implicit LES) allowing to consider flows with different Reynolds numbers. Heat transfers are computed directly without the use of empirical transfer coefficients, using the strong coupling between fluid, gas and solid. A unified formulation of the Navier-Stokes equations for compressible and supersonic flows is considered. Its extension to adapt it to two-phase flow (gas-particles) in supersonic regime will form the innovative part of this thesis. We are thus developing an a posteriori error estimator and thus a metric dedicated to this type of supersonic flow for parallel anisotropic meshing to both increase the accuracy of the new solver and reduce the cost of 3D computation. The validation of the models with experimental data acquired thanks to a system developed at CDM, allowing both particle velocity measurements by PIV (Particle Image Velocimetry) and gas flow observations by ombroscopy. The results of the project will be used to qualify this technology for all potential applications. A first application consists in optimizing nozzle geometries (straight and bent) for applications discussed with Renault. A second one will focus on the study of the effect of the projection angle and the projection distance with the current nozzle and new designs on the shock wave phenomenon and its consequences on the projection efficiency on applications that interest other potential partners, such as the major producer of cold spray systems, Impact Innovations Gmbh. Finally, the additive manufacturing of application-specific prototype nozzles and coating spray tests will be extremely useful to confirm the results.