Etude du transfert radiatif au sein des matériaux composites semi-transparents

Study of radiative transfer in semi-transparent composite materials

• Auteur / Autrice : Florent Retailleau
• Direction : Jaona Harifidy Randrianalisoa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et énergétique
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Numérique et de l’Ingénieur (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Franck Enguehard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jaona Harifidy Randrianalisoa, Sophia Haussener, Agnès Delmas, Lionel Merlat, Gilles Parent, Jean-François Henry, Thierry Duvaut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophia Haussener, Agnès Delmas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Transfert radiatif

Composites

Mots clés libres

Transfert radiatif

Transfert thermique

Modélisation

Matériau composite

Méthode inverse

Spectrophotométrie en température

Radiative transfer

Heat transfer

Modeling

Composite material

Inverse method

Temperature spectrophotometry

Résumé

Un modèle thermique capable de déterminer le champ de température d'un matériau composite semi-transparent soumis à un fort rayonnement laser a été développé. Ce modèle s'appuie sur la résolution de l'équation de transfert radiatif (ETR) par la méthode de Monte-Carlo. Les propriétés radiatives volumiques et surfaciques du matériau étudié, indispensables à la résolution de cette équation, ont été obtenues par identification à une longueur d'onde précise. Du fait de l'impact de la température sur les propriétés intrinsèques du matériau, les propriétés radiatives ont été déterminées entre 20 et 450 °C. Basée sur la méthode inverse de Gauss-Newton, la procédure d’identification est réalisée à partir de données expérimentales acquises grâce à deux systèmes permettant la mesure des reflectances et transmittances bidirectionnelles entre 20 et 200 °C, et hémisphériques et directionnelles entre 20 et 450 °C. La résolution de l'ETR permet finalement d'obtenir le profil d'absorption d'un flux radiatif au cœur d’un matériau semi-transparent présentant des surfaces rugueuses. Le modèle thermique s'appuie également sur une mesure précise des propriétés thermiques du matériau composite. Ces propriétés ont été obtenues à l'aide de plusieurs méthodes de mesure différentes entre 20 et 400 °C. La cinétique de chauffe étant très différente entre les méthodes de mesure et le problème final, la loi d'Arrhenius a été utilisée pour prendre en compte l'impact de la vitesse de chauffe. Enfin, un système expérimental permettant la mesure de la température d'un échantillon semi-transparent soumis à un flux laser de forte puissance a été mis en place afin de confronter les résultats théoriques et expérimentaux.

A thermal model able to determine the temperature field of a semi-transparent composite material subjected to a strong radiative flux has been developed. This model is based on the resolution of the radiative transfer equation (RTE) by the Monte-Carlo method. The volume and surface radiative properties of the studied material, which are essential to the resolution of this equation, have been obtained by identification at the wavelengths of the laser sources used in this study. Because of the impact of temperature on the intrinsic properties of the material, the radiative properties have been determined between 20 and 450 °C. The identification method is based on the inverse Gauss-Newton method as well as on experimental data acquired with two systems enabling the measurement of bidirectional reflectances and transmittances between 20 and 200 °C and of the hemispherical and directional reflectance and transmittance between 20 and 450 °C. The resolution of the RTE enables to obtain the absorption profile of a radiative flux within a semi-transparent and rough material. The thermal model is also based on an accurate measurement of the thermal properties of the composite material. These properties were obtained using several different measurement methods between 20 and 400 °C. As the heating kinetics are very different between the measurement methods and the final problem, the Arrhenius law was used to take into account the influence of the heating rate. Finally, an experimental system which enables the measurement of the temperature of a semi-transparent sample subjected to a high-energy laser flux has been set up in order to compare the theoretical and the experimental results.