Transfert thermique par rayonnement et conduction dans les matériaux poreux micro et nanostructurés : analogie transfert de phonons et de photons

par Jaona Harifidy Randrianalisoa

Thèse de doctorat en Énergétique et thermique

Sous la direction de Dominique Baillis.

Soutenue en 2006

à Villeurbanne, INSA .


  • Résumé

    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.

  • Titre traduit

    = Radiation and conduction heat transfer in micro and nanostructured porous materials : Analogy between phonons and photons transport


  • Résumé

    The aim of this ph-D thesis is to model the heat transfer in micro and nanoporous materials in order to better understand the multi-scale thermal transport phenomena. We modeled both conductive and radiative heat transfer from the fundamental Boltzman Transfer Equation (BTE) using the analogy between the concepts of photon and phonon. Concerning the one-dimensional radiative transfer, the BTE is solved by the Discrete Ordinates Method (DOM) using an Adapted Composite Quadrature (ACQ) in order to obtain an accurate angular repartition of the radiative intensities. The radiative properties of the equivalent homogeneous medium associated with the real material are determined using two different methods. First, they are calculated directly using the classical Mie theory (CMT) with independent scattering, the near-field approach (NFA) or the far-field approach (FFA). They are also determined from spectroscopic measurements using an inverse identification method. The study of the radiative transfer concerns two different materials: fused quartz containing a weak volume fraction of micro-bubbles and thin polymer films containing different concentrations of hollow glass microspheres. These materials are characterized by a high absorption of radiation in the I. R wavelength range. We checked the validity of the results obtained by comparing the hemispherical transmittance and reflectance calculated theoretically with experimental measurements. For low particle concentrations, the different methods of determination of the radiative properties are in good agreement with each other and with the experimental results. On the other hand, for relatively high particle concentrations, the FFA proves to be more suitable. Thereafter, we use the analogy between the concepts of photon and phonon, used in radiative and conductive transfer respectively, to develop a novel approach to model heat conduction in nanoporous materials. Actually, this thesis constitutes the first study allowing a fine modeling of the phonon energy transport in Silicon films containing nanometric pores. Indeed, given that the concentration of pores is high and that their repartition is highly anisotropic, any of the classical method of solution of the BTE are suitable. Thus, we developed a new 3-D steady-state Monte Carlo method to simulate directly the transport of phonons in this kind of materials. The nanoporous structure is first represented by a random arrangement of non-agglomerated spherical pore and then by the modified “Two-scale” fractal model, which is closer to the real structure. The results of the model are compared with the experimental data reported in the literature. This Monte Carlo approach allows us to analyze the influence of the volume fraction, the size and the morphology of the pores on the heat conduction. It constitutes a promising method and would notably permit to model the phonon transport in crystalline dielectric materials with complex geometry

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Informations

  • Détails : 1 vol. (314 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Contient des références bibliographiques

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3172)
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