Simulation numérique de l'ébullition pour les procédés de trempe industrielle

par Nadine El Kosseifi

Thèse de doctorat en Mécanique numérique

Sous la direction de Thierry Coupez et de Elisabeth Causse-Massoni.

Le président du jury était Marwan Darwish.

Le jury était composé de Thierry Coupez, Elisabeth Causse-Massoni, Elie Hachem, Séverine Boyer.

Les rapporteurs étaient Pascal Frey, Arnaud Poitou.


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la modélisation de l'ébullition qui joue un rôle important dans les vitessesde refroidissement des pièces, elle possède un volet numérique et un volet expérimental. Lessimulations et les expériences envisagées se situent à deux échelles. A l'échelle d'une ou quelquesbulles de vapeur, il s'agit de faire des simulations multiphasiques très précises en prenant encompte, la tension de surface, les calculs directs d'écoulement à grand nombre de Reynolds, etrendant compte du détachement et de la coalescences des bulles. Des observations expérimentalessont réalisées à la même échelle en contrôlant en surface la nucléation d'une bulle de vapeur àl'aide d'une caméra rapide. Des mesures de champs de vitesse par PIV et de température par twocolor LIF thermometry sont réalisées dans les mêmes conditions. Ceci a permit de confronter lacroissance, la dynamique et les formes des bulles observées et calculés. Les techniques numériquesles plus avancées sont utilisées : Eléments finis stabilisé VMS, level set, adaptation anisotropeet calcul intensif. Les modéles numériques proposés dans cette thèse permettent de passer àl'échelle macroscopique des pièces industrielles en considérant un film de vapeur (ou une phasede mélange liquide vapeur). L'enjeu supplémentaire étant de modéliser la turbulence induite parl'ébullition dans une approche de type CFD.

  • Titre traduit

    Numerical simulation of boiling for industrial quenching processes


  • Résumé

    This thesis focuses on the modelling of boiling that plays an important role on the coolingand heat treatment in quenching processes, it has two components: numerical simulations andexperimental measurements. Both simulations and experiments are envisaged for two scales. Thefirst one concerns small scales: the scale of one or few bubbles. In this case, the focus is put onvery precise numerical simulations for multiphase flows taking into account the surface tension,the direct computations of flows at high Reynolds number, and on reflecting the detachmentand coalescence of bubbles. On that same scale, experimental observations are performed tocontrol, in the volume or at surface, the nucleation of a vapour bubble using a high speedcamera. Measurements of velocity fields by PIV and the temperature by PLIF are realizedunder the same conditions. This will allow us to compare the growth dynamics and shapesof bubbles observed and calculated. Advanced numerical methods are used to fulfil this task:VMS stabilized finite elements, level set, anisotropic adaptation and parallel computing. Thenumerical models proposed in this work are extended and also used to deal with macroscopicscales: at the level of industrial parts considering the vapour films (or a phase of liquid vapourmixture). The additional challenge resides in the modelling of turbulence induced by boiling ina CFD approach.


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