Modélisation, simulation et étude expérimentale de l'ébullition dans le processus de trempe thermique

Modeling, simulation and experimental study of boiling in the thermal quenching process

• Auteur / Autrice : Gauthier Bourdon
• Direction : Christophe Airiau, Sébastien Tanguy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 23/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Airiau, Sébastien Tanguy, Catherine Colin, Giovanni Ghigliotti
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Adrien Toutant, Didier Saury

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ébullition

Trempe

Mots clés libres

Modélisation

Simulation

Etude expérimental

Modeling

Simulation

Experimental study

Résumé

La trempe d’une pièce en acier est effectuée durant le processus de production afin d’améliorer sa résistance mécanique. Ce procédé thermique consiste à chauffer la pièce à haute température puis à la plonger dans un réfrigérant à basse température, qui peut entrer en ébullition. La vitesse de refroidissement de l'acier définit sa microstructure et ses propriétés mécaniques. La maîtrise de ce traitement thermique est cruciale pour les pièces en acier intervenant dans le circuit primaire d’une centrale nucléaire. Cette thèse propose une étude numérique et expérimentale des phénomènes d'ébullition générés dans le processus de trempe. Le principal objectif est de développer un modèle de simulation réaliste de la trempe pour des tailles de pièces typiques de l’industrie nucléaire. Une première partie porte sur l'étude de l'ébullition en film autour d’un solide immergé sur la base de simulations numériques directes (DNS) (disque et sphère). Des implémentations ont été réalisées dans le code de calcul DIVA afin de coupler différents modèles permettant de simuler l'ébullition, l'inclusion de frontières immergées, et la variabilité de la masse volumique de la vapeur. Ces couplages ont été validés en se comparant à des corrélations analytiques ou à des résultats expérimentaux. La convergence en temps et en espace a également été étudiée. Une étude paramétrique de l'ébullition en film autour d'une sphère fortement surchauffée et immergée dans un liquide sous-refroidi a finalement été menée. Cette étude a permis de mieux comprendre la répartition du flux massique de changement de phase et la distribution angulaire du nombre de Nusselt.Dans un second temps, une première étude expérimentale portant sur la trempe d'acier inoxydable SS304L pour différents sous-refroidissements a été effectuée. Cette trempe est réalisée sur les deux extrémités d'un cylindre, positionné horizontalement. La face latérale est isolée thermiquement. Le cylindre a été préalablement chauffé puis refroidi dans de l'air pour créer une large couche d'oxyde à la surface. Par la suite, les trempes sont réalisées dans de l'eau. L'analyse des relevés de température montre une forte dépendance du refroidissement de la pièce au sous-refroidissement. Toutefois, il semble exister un seuil à partir duquel l'augmentation du sous-refroidissement n'accélère plus autant le refroidissement de la pièce en acier. La répétabilité des expériences est également satisfaisante sur trois essais. Ces données pourront être utilisées pour valider des codes de calcul. Bien qu’initialement l’expérience ait été conçue pour mesurer le flux thermique lors de la trempe, il est apparu finalement que l'estimation du flux sur ce dispositif est perturbée par des biais de mesure. L'effet de ces derniers a été quantifié pour une configuration simplifiée. Ces derniers sont d'autant plus importants que le refroidissement est rapide.Une deuxième expérience de trempe a été réalisée sur un cylindre en acier SS304L, de dimension semi-industrielle, et positionné verticalement. L'instrumentation avec des thermocouples pour cette pièce de grande taille ainsi que la manutention de cette dernière ont posé des difficultés techniques qui ont réduit l'expérience à un seul essai. Les mesures obtenues permettront d'enrichir les bases de données pour valider des codes de calcul. En parallèle, un jumeau numérique a été développé avec le code STAR-CCM+. Il s'appuie sur des corrélations issues de la littérature pour modéliser l'échange de chaleur entre le solide et le fluide. L’écoulement fluide diphasique est traité par un modèle de volume de fluide (VOF) associé à une modélisation URANS de la turbulence de type $k-epsilon$ réalisable. Les résultats des simulations comprenant l’ensemble du dispositif expérimental sont en bon accord avec les données expérimentales. Le refroidissement est très bien prédit pour le bas du cylindre, mais le modèle prédit un refroidissement plus rapide pour le milieu et le haut du cylindre.

Quenching a steel piece is performed during the production process to improve its mechanical strength. This thermal process involves heating the part to a high temperature and then immersing it in a low-temperature coolant, which then might boils. The steel cooling rate determines its microstructure and mechanical properties. Controlling this heat treatment is crucial for steel pieces used in the primary circuit of a nuclear power plant. This thesis proposes a numerical and experimental study of the boiling phenomena generated in the quenching process. The main objective is to develop a realistic simulation model of the quenching process for piece sizes typical of the nuclear industry.The first part of the study focuses on film boiling around an immersed solid based on direct numerical simulations (DNS) (disk and sphere). Implementations have been made in the local DIVA code to couple different models for simulating boiling, including immersed boundaries, and vapor density variability. These couplings were validated by comparison with analytical correlations or experimental results. Convergence in time and space has also been demonstrated. Finally, a parametric study of film boiling around a highly superheated sphere immersed in a subcooled liquid was carried out. This led to a better understanding of the phase-change mass flux distribution and the angular distribution of the Nusselt number.Secondly, an initial experimental study was carried out on the quenching of SS304L stainless steel at different subcooling temperatures. Quenching is performed on both ends of a horizontally positioned cylinder. The side face is thermally insulated. The cylinder was first heated and then cooled in air to create a thick oxide layer on the surface. Quenching is then carried out in water. Analysis of the temperature readings shows a strong dependence of cooling on subcooling. However, there appears to be a threshold at which increasing subcooling no longer accelerates the cooling of the steel piece to the same extent. The repeatability of the experiments is also satisfactory for all three tests. These data can be used to validate calculation codes.Although the experiment was initially designed to measure the heat flux during quenching, it eventually became apparent that the experimental setup did not allow for a correct estimation of this flux due to measurement biases. The effect of these biases has been quantified for a simplified configuration. The more rapid the cooling, the greater the bias.A second quenching experiment was carried out on a semi-industrial SS304L steel cylinder, positioned vertically. Instrumentation with thermocouples for this large piece, as well as its handling, posed technical difficulties that reduced the experiment to a single trial. The measurements obtained will be used to enrich databases for validating calculation codes. In parallel, a digital twin has been developed with the CFD code STAR-CCM+. It uses correlations from the literature to model heat exchange between the solid and the fluid. Two-phase fluid flow is considered using a volume of fluid (VOF) model, combined with URANS k-epsilon realizable turbulence modeling. The results of simulations involving the entire experimental set-up are in good agreement with the experimental data. Cooling is very well predicted for the bottom of the cylinder, but the model predicts faster cooling for the middle and top of the cylinder.