Manipulation of liquid metal foam with electromagnetic fields : a numerical sudy

par Sascha Heitkam

Thèse de doctorat en Physique, mécanique des fluides

Sous la direction de Jochen Fröhlich et de Dominique Langevin.

Soutenue le 23-06-2014

à Paris 11 en cotutelle avec l'Institut für Strömungsmechanik , dans le cadre de Ecole doctorale Physique de la Région Parisienne (....-2013) , en partenariat avec Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Bernd Kieback.

Le jury était composé de Jochen Fröhlich, Bernd Kieback, Reinhard Höhler, John Banhart, Kerstin Eckert.

Les rapporteurs étaient Reinhard Höhler, John Banhart.

  • Titre traduit

    Manipulation de liquide mousse métallique avec les champs électromagnétiques : une étude numérique


  • Résumé

    La mousse métallique a des propriétés mécaniques et thermodynamiques uniques qui pourraient s'avérer utiles dans de nombreux domaines, tels que la construction légère et ingénierie automobile. Cependant, la mousse métallique n'est pas encore établie en génie.Une des raisons sont les difficultés et les prix élevés dans le processus de fabrication. Causée par drainage gravitaire en état liquide, peuvent se produire des distributions de matériel non homogènes. En outre, dépassant le drainage peut provoquer rupture de bulle et la génération de soufflures. Ces effets négatifs potentiellement peuvent être évités en ajoutant magnétique ou champs électromagnétiques au cours du processus de génération.Dans cette thèse, l'influence de ces champs est donc étudié en réalisant la phase de résolution des simulations. Ces simulations sont effectuées avec le code interne premier. Une modification de la modélisation de la collision était nécessaire pour enquêter sur l'agglomération de bulles dans le métal liquide.Calcul d'une configuration statique-drainage, les mécanismes de l'agglomération sont étudiés sans la présence de champs électriques ou magnétiques. Aux vitesses élevées de drainage, les bulles flottent. À des vitesses inférieures de drainage, les bulles s'agglomèrent dans la partie supérieure du domaine, formant des structures cristallines compacte.La préférence expérimentalement bien connue de commande cubes axés sur le visage, plus hexagonale compacte vous passez votre commande de volume égal bulles est reproduit numériquement. Appliquant davantage des simulations et expériences, un mécanisme de l'instabilité de la commande de façon hexagonale compacte est identifié, ayant pour résultat la préférence de commande de cubes axés sur le visage.Afin de déterminer les propriétés mécaniques de la mousse métallique solide avec la fraction de gaz faibles et aux fonctionnalités avantageuses et désavantageuses d'état d'arrangements de bulle, simulations par éléments finis de la mousse métallique solide avec cavités sphériques sont réalisées et comparées. Une influence significative de la quantité de cristaux de bulle sur la mécanique de la mousse se trouve. Le type de l'ordre cristallin est moins important.On étudie l'influence d'un champ magnétique horizontal sur l'agglomération de bulle. La résistance de drainage peut être augmentée sensiblement en ajoutant un champ magnétique. La structure résultante des bulles est moins sensible à un champ magnétique.Combinant un courant électrique horizontal et une perpendiculaire, champ magnétique horizontal se traduit par une force verticale de Lorentz. Cette force peut équilibrer la gravitation et donc, provoquer la rotation des bulles. Simuler cet État révèle une distribution homogène de bulle. Dans le même temps, friser les champs de force dans le voisinage de chaque bulle induire un mouvement continu en remuant. Petit champ électromagnétique forces n'empêchent pas les bulles d'agglomération, mais peuvent varier le montant de la commande cristallisé et par conséquent, les propriétés mécaniques de la mousse solide qui en résulte.En conclusion, un champ magnétique horizontal augmente la résistance de drainage, tandis que sa combinaison avec un courant électrique provoque des distributions de bulle homogène et peut modifier la structure de la mousse et la fraction de gaz. Les résultats de cette thèse pourraient aider à améliorer le processus de fabrication industrielle de mousse métallique ou même permettre la production de métal poreux avec la fraction de gaz définie par l'utilisateur.


  • Résumé

    Metal foam has unique mechanical and thermodynamic properties which could prove useful in many fields, such as light-weight construction and automotive engineering. However, metal foam is not yet established in engineering. One reason are the difficulties and high prices in the fabrication process. Caused by gravity-driven drainage in liquid state, inhomogeneous material distributions can occur. Also, exceeding drainage might cause bubble rupture and the generation of blow-holes. These negative effects potentially can be avoided by adding magnetic or electromagnetic fields during the generation process. In this thesis, the influence of these fields is therefore investigated by conducting phase resolving simulations. These simulations are carried out with the in-house code PRIME. A modification of the collision modelling was necessary in order to investigate the agglomeration of bubbles within liquid metal. Computing a static-drainage setup, the agglomeration mechanisms are investigated without the presence of electric or magnetic fields. At high drainage velocities the bubbles float. At lower drainage velocities the bubbles agglomerate in the upper part of the domain, forming close-packed crystalline structures. The experimentally well known preference of face-centred cubic ordering, over hexagonally close-packed ordering of equal-volume bubbles is reproduced numerically. Applying further simulations and experiments, an instability mechanism of hexagonally close-packed ordering is identified, resulting in the preference of face-centred cubic ordering. In order to determine the mechanical properties of solid metal foam with low gas fraction and to state advantageous and disadvantageous features of bubble arrangements, Finite-Element simulations of solid metal foam with spherical voids are carried out and compared. A significant influence of the amount of bubble crystals on the foam mechanics is found. The type of the crystalline ordering is less important. The influence of a horizontal magnetic field on the bubble agglomeration is investigated. The drainage resistance can be increased significantly by adding a magnetic field. The resulting structure of the bubbles is less sensitive to a magnetic field. Combining a horizontal electric current and a perpendicular, horizontal magnetic field results in a vertical Lorentz force. This force can balance gravitation and thus, cause rotation of the bubbles. Simulating this state reveals a homogeneous bubble distribution. At the same time, curling force fields in the vicinity of each bubble induce a continuous stirring motion. Small electromagnetic field strengths do not prevent the bubbles from agglomerating, but can vary the amount of crystallized ordering and therefore, the mechanical properties of the resulting solid foam. In conclusion, a horizontal magnetic field increases the drainage resistance, while its combination with an electric current causes homogeneous bubble distributions and can alter the foam structure and the gas fraction. The results of this thesis could help improve the industrial fabrication process of metal foam or even allow production of porous metal with user-defined gas fraction.


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