Impact et solidification de gouttes metalliques sur un substrat solide

Impact and solidification of metal droplets onto a solid substrate

• Auteur / Autrice : Cédric Le Bot
• Direction : Eric Arquis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences physiques et de l'ingénieur. Mécanique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Bordeaux 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Problèmes inverses

Tension superficielle

Écoulement diphasique

Gouttes

Impact

Résumé

Ce travail a pour objet l'étude des phénomènes mécaniques et thermiques lors de l'impact de gouttes de métal chaudes sur un substrat solide sec froid par simulation numérique et par analyse expérimentale. Cette étude vise à mieux comprendre la formation de revêtements fins sur une surface par pulvérisation de gouttelettes et à caractériser les paramètres qui influencent la porosité du film fin et sa topologie de surface. Les simulations numériques sont basées sur un modèle à un fluide et le domaine contient à la fois l'air, les gouttes et le substrat. Ce modèle consiste à coupler les équations de Navier-Stokes, de transport de l'interface et de l'énergie avec prise en compte de la solidification. Les phénomènes dynamiques et thermiques sont validés indépendamment à partir de cas simples. Puis l'impact de plusieurs gouttes est analysé dans deux configurations, c'est-à-dire lors de l'impact simultané de particules fluides identiques, puis lors de l'impact successif de ces mêmes gouttes. Les résultats sont exprimés sous forme de hauteur du jet de rencontre de deux gouttes voisines en fonction de la contribution des énergies cinétique et de surface, du travail des forces visqueuses et du travail nécessaire à la solidification, au travers des nombres de Reynolds, de Weber et de Stefan. En parallèle, l'analyse expérimentale des phénomènes thermiques est réalisées afin de déterminer d'une part l'évolution de la résistance thermique de contact entre le métal et le substrat à l'aide d'une presse permettant le contact brusque de deux milieux l'un changeant de phase et d'autre part la cinétique de cristallisation du métal soumis à un refroidissement important à l'aide d'un calorimètre différentiel à balayage.

This work aims at the study of mechanics and thermal phenomena during the impact of hot metal droplets onto a cold dry solid substrate by numerical simulation and experimental analysis. This study aims to understand the manufacturing of thin coatings on a surface by projection of droplets and to characterize the parameters which influence the porosity of the thin film and its surface topology. The numerical simulations are based on a one-fluid model and the domain contains air, the droplets and the substrate. This modelling consists in coupling Navier-Stokes, advection and energy equations, taking into account the solidification. Dynamics and thermal phenomena are validated with simple cases. Then, the impact of several droplets is analysed for two configurations: the simultaneous impact of several identical fluid particles and the successive impact of these droplets. Results are expressed as the height of two droplets which meet one each other against the contribution of kinetic and surface energies, and viscous forces and solidification works by the mean of Reynolds, Weber and Stefan numbers. In the same time, the analysis of thermal phenomena is carried out to determine on one hand the evolution of the thermal contact resistance between the metal and the substrate thanks to a press allowing the sudden contact between two media, one undergoing phase change, and on the other hand, the crystallisation kinetics of the metal submitted to a high cooling, with a differential scanning calorimeter.