MODELISATION DU TRANSFERT COUPLE RAYONNEMENT-CONVECTION AU SEIN DE MATERIAUX POREUX ET IDENTIFICATION DE LEURS PROPRIETES RADIATIVES PDF Download
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MODELISATION DES TRANSFERTS COUPLES PAR CONVECTION, CONDUCTION ET RAYONNEMENT, AU SEIN D'UN MILIEU POREUX SEMI-TRANSPARENT CONFINE DANS UNE CAVITE INCLINABLE CHAUFFEE DIFFERENTIELLEMENT. LE TRANSFERT RADIATIF EST EVALUE PAR UN MODELE GRIS A 2 FLUX, LES MOUVEMENTS DE CONVECTION DANS LE MILIEU POREUX ETANT MODELISES SUR LA BASE DE L'HYPOTHESE DE BOUSSINESQ ET DE LA LOI DE DARCY. APPLICATION A LA LAINE DE VERRE. DETERMINATION EXPERIMENTALE DES COEFFICIENTS D'ABSORPTION, DE DIFFUSION ET D'UN PARAMETRE CARACTERISANT LA FORME DE LA FONCTION DE PHASE DE LAINES DE VERRE
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MODELISATION DES TRANSFERTS COUPLES PAR CONVECTION, CONDUCTION ET RAYONNEMENT, AU SEIN D'UN MILIEU POREUX SEMI-TRANSPARENT CONFINE DANS UNE CAVITE INCLINABLE CHAUFFEE DIFFERENTIELLEMENT. LE TRANSFERT RADIATIF EST EVALUE PAR UN MODELE GRIS A 2 FLUX, LES MOUVEMENTS DE CONVECTION DANS LE MILIEU POREUX ETANT MODELISES SUR LA BASE DE L'HYPOTHESE DE BOUSSINESQ ET DE LA LOI DE DARCY. APPLICATION A LA LAINE DE VERRE. DETERMINATION EXPERIMENTALE DES COEFFICIENTS D'ABSORPTION, DE DIFFUSION ET D'UN PARAMETRE CARACTERISANT LA FORME DE LA FONCTION DE PHASE DE LAINES DE VERRE
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L’objectif de cette thèse est de modéliser et de mieux comprendre le transfert thermique multi-échelle au sein de matériaux micro et nanoporeux. Les deux modes de transfert de chaleur conduction et rayonnement sont modélisés à partir de l’équation de transport de particules de Boltzman (ETB) par l’intermédiaire de l’analogie entre le photon et le phonon. Pour le transfert radiatif monodimensionnel, l’ETB est résolue par la méthode des ordonnées discrètes (MOD) baseée sur l’utilisation d’une quadrature composée adaptée (QCA) afin d’obtenir une répartition directionnelle précise des intensités. Les propriétés radiatives du milieu homogène équivalent associé au milieu réel, intervenant dans l’ETB sont déterminées par des modèles de diffusion simple et indépendante appelés théorie classique de Mie (TCM), approche en champ lointain (ACL) et approche en champ proche (ACP) d’une part, et caractérisées par une méthode inverse d’identification des paramètres d’autre part. Les applications concernent deux types de matériaux différents : du quartz fondu contenant une faible fraction volumique de micro-bulles et des films de polymère contenant différentes concentrations de microsphères creuses. Ces matériaux sont caractérisés par une forte absorption aux longueurs d’onde infrarouge. La validité des méthodes est vérifiée par la comparaison des résultats issus des modèles avec des mesures expérimentales de transmittance et de réflectance hémisphériques. Si la concentration de particules est faible, les différents modèles de propriétés radiatives sont en bon accord entre eux et avec les résultats expérimentaux, dans le cas contraire, il est mis en évidence que l’ACL est la mieux appropriée. A partir de notre connaissance concernant le transfert radiatif dans les milieux poreux microstructurés, et de l’analogie phonon/photon nous avons développé une nouvelle approche du transfert conductif dans les matériaux nanoporeux. Cette thèse est la première analyse permettant une modélisation fine du transport d’énergie phononique au sein d’un film de Silicium contenant des pores nanométriques. Les pores contenus dans le film étant de forte concentration et d’orientation très anisotropes, aucune des méthodes de résolution de l’ETB existantes n’est adéquate. Une nouvelle méthode de Monte Carlo en régime permanent et en trois dimensions est développée pour simuler directement le transport de phonons (conduction thermique) dans ce matériau. La morphologie nanoporeuse est modélisée, dans un premier temps, comme une répartition aléatoire de pores sphériques non agglomérés dans le volume et dans un second temps par un modèle fractal, Two-scale modifié, plus proche de la structure réelle. Les résultats de modélisation sont comparés avec les données expérimentales de la littérature. Cette méthode de Monte Carlo a permis de mettre en évidence l’influence de la taille, de la fraction volumique et de la morphologie des pores. Elle présente un fort potentiel, elle permettra notamment de modéliser le transport de phonon dans les matériaux diélectriques cristallins à géométries complexes.
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ON A ETUDIE PAR MODELISATION LE TRANSFERT COUPLE CONVECTION - CONDUCTION RAYONNEMENT DANS LES MILIEUX SEMI-TRANSPARENT FLUIDES ET EXPERIMENTALEMENT LES PROPRIETES RADIATIVES DES SILICATES SEMI-TRANSPARENTS FONDUS. LA MODELISATION MATHEMATIQUE A ETE MISE EN OEUVRE POUR DES GEOMETRIES TRIDIMENSIONNELLES EN COORDONNEES CARTESIENNES. POUR LA CONVECTION LAMINAIRE, UNE FORMULATION VOLUMES FINIS A ETE UTILISEE. LES PHENOMENES RADIATIFS SONT DECRITS PAR UNE METHODE MULTIFLUX BASEE SUR UNE DISCRETISATION ANGULAIRE QUI PERMET DE PRENDRE EN CONSIDERATION DES SPECTRES D'ABSORPTION GRIS PAR BANDES. CETTE METHODE DONT LES RESULTATS SONT EN BON ACCORD AVEC LA LITTERATURE EST COMPAREE A LA METHODE D'APPROXIMATION DIFFERENTIELLE P1, MOINS PRECISE. DANS LA PARTIE EXPERIMENTALE, ON A DETERMINE LES SPECTRES D'ABSORPTION INFRAROUGE A HAUTE TEMPERATURE DE SILICATE ALUMINO-CALCIQUE. CES SPECTRES ONT ETE OBTENUS PAR UNE METHODE ORIGINALE DE SPECTROMETRIE D'EMISSION BASEE SUR UNE METHODE D'IDENTIFICATION PARAMETRIQUE. L'INFLUENCE DE LA TENEUR EN OXYDE FERREUX A ETE EXAMINEE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE. ENFIN DEUX EXEMPLES D'APPLICATION SONT TRAITES QUI DONNENT UNE IMAGE SYNTHETIQUE DE L'ENSEMBLE DES TRAVAUX MENES DANS LE CADRE DE CETTE ETUDE.
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Le CEA travaille sur des matériaux poreux - alvéolaires, composites, céramiques, etc. - et cherche à optimiser leurs propriétés pour des utilisations spécifiques. Ces matériaux, souvent composés de plusieurs constituants, ont en général une structure complexe avec une taille de pores de quelques dizaines de microns. Ils sont mis en oeuvre dans des systèmes de grande échelle, supérieure à leurs propres échelles caractéristiques, dans lesquels on les considère comme équivalents à des milieux homogènes, sans prendre en compte sa microstructure locale, pour simuler leur comportement dans leur environnement d'utilisation.Nous nous intéressons donc à la caractérisation des propriétés thermiques effectives de matériaux à microstructure hétérogène en cherchant à déterminer par méthode inverse en fonction de la température la diffusivité thermique qu'ils auraient s'ils étaient homogènes.L'identification de la diffusivité de matériaux poreux et/ou semi-transparents est rendue difficile par le couplage conducto-radiatif fort qui peut se développer rapidement dans ces milieux avec une augmentation de la température. Nous avons donc modélisé le transfert de chaleur couplé conducto-radiatif en fonction de la température au sein de matériaux poreux multiconstituants à partir de leur microstructure numérisée en voxels. Notre démarche consiste à nous appuyer sur la microstructure 3D obtenue par tomographie. Ces microstructures servent de support numérique à cette modélisation qui permet d'une part de simuler tout type d'expériences thermiques numériques - en particulier la méthode flash dont les résultats nous permettent de déduire la diffusivité thermique -, et d'autre part de reproduire le comportement thermique de ces échantillons dans leur condition d'utilisation.
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FORMALISME DU TRANSFERT RADIATIF DANS LES MILIEUX SEMI-TRANSPARENTS. ETUDE COMPARATIVE DE PLUSIEURS METHODES DE RESOLUTION DE L'EQUATION DU TRANSFERT RADIATIF. L'APPROXIMATION DIFFERENTIELLE BIDIMENSIONNELLE P1 EST RETENUE POUR L'ETUDE DES CAS DE COUPLAGE RAYONNEMENT-CONVECTION. INTERACTION DE LA CONVECTION NATURELLE ET DU RAYONNEMENT DANS UN MILIEU POREUX BIDIMENSIONNEL. LE MODELE RADIATIF EST ASSOCIE A UN SCHEMA DE DIFFERENCES FINIES QUI PERMET DE RESOUDRE LES EQUATIONS DE LA CONVECTION SUR LA BASE DE L'HYPOTHESE DE BOUSSINESQ ET DE LA LOI DE DARCY. INTERACTION DE LA CONVECTION NATURELLE ET DU RAYONNEMENT AU SEIN D'UN FLUIDE SEMI-TRANSPARENT BIDIMENSIONNEL. NOUS PRESENTONS UNE ETUDE PARAMETRIQUE DANS LE CAS D'UN FLUIDE GRIS A DIFFUSION ISOTROPE AVANT DE TRAITER LE CAS DU MILIEU NON GRIS. INTERACTION CONVENTION NATURELLE-RAYONNEMENT DANS UNE CAVITE PARTIELLEMENT OCCUPEE PAR UN MILIEU POREUX SEMI-TRANSPARENT, SANS INTERFACE OPAQUE ET IMPERMEABLE SEPARANT LES DEUX MILIEUX
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L'ETUDE SE DECOMPOSE EN TROIS PARTIES. LA PREMIERE, ANALYTIQUE ET NUMERIQUE, MONTRE QUE LE TRANSFERT DE CHALEUR COUPLE CONDUCTION-RAYONNEMENT DANS UN ISOLANT POREUX EN CARBONE EST BIEN REPRESENTE PAR UN MODELE DE DIFFUSION DONT LA CONDUCTIVITE APPARENTE REPRESENTE A LA FOIS LES ECHANGES RADIATIFS ET LE TRANSFERT DE CHALEUR CONDUCTIF DANS LE MATERIAU. DANS CETTE ETUDE, LE TRANSFERT RADIATIF DANS UN MILIEU SEMI-TRANSPARENT EST MODELISE PAR LA METHODE DES ZONES DE HOTTEL, ETENDUE AUX MILIEUX A DIFFUSION ANISOTROPE POUR POUVOIR ETRE APPLIQUEE AU PROBLEME. LA DEUXIEME PARTIE, EXPERIMENTALE, CONCERNE LA CARACTERISATION PROPREMENT DITE DES ISOLANTS POREUX EN CARBONE. LA MESURE DE CONDUCTIVITE APPARENTE EST REALISEE : DE 20C A 500C PAR METHODE PHOTOTHERMIQUE IMPULSIONNELLE (METHODE FLASH), ET DE 1000C A 2800C PAR METHODE PHOTOTHERMIQUE PERIODIQUE (METHODE MODULEE). CE DERNIER MONTAGE FAIT L'OBJET D'UNE ETUDE APPROFONDIE. PAR AILLEURS, UN DISPOSITIF EXPERIMENTAL PERMETTANT DE MESURER LES PROPRIETES RADIATIVES SPECTRALES (10.6 M) DES ISOLANTS POREUX EN CARBONE A ETE MIS EN PLACE. ENFIN, POUR VALIDER L'ENSEMBLE DE L'ETUDE, UN DISPOSITIF EXPERIMENTAL PERMET DE SIMULER LE COMPORTEMENT THERMIQUE D'UN ISOLANT CARBONE POREUX EN CONDITIONS OPERATIONNELLES. LA TROISIEME PARTIE CONCERNE LA CARACTERISATION DE PLUSIEURS ISOLANTS POREUX EN CARBONE. LA MESURE DE CONDUCTIVITE APPARENTE INDIQUE UNE INFLUENCE PROGRESSIVE DES ECHANGES RADIATIFS AU SEIN DU MATERIAU LORSQUE LA TEMPERATURE DE CE DERNIER AUGMENTE. PAR AILLEURS, LA DIFFICULTE DE MESURER LES PROPRIETES RADIATIVES DES ISOLANTS POREUX EN CARBONE MONTRE LA PERTINENCE D'UNE APPROCHE GLOBALE. ENFIN, LES SIMULATIONS EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE DU COMPORTEMENT THERMIQUE DE CES MATERIAUX EN CONDITION OPERATIONNELLES CONDUISENT A UNE ANALYSE CRITIQUE DE L'ENSEMBLE DES RESULTATS.
Author: Geneviève Uny
Author: Geneviève Uny
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