Simulation numérique du refroidissement par spray en régime de Leidenfrost

Numerical simulation of the spray cooling process, in the Leidenfrost regime

• Auteur / Autrice : Clément Baillard
• Direction : Fabrice Lemoine, Ophélie Caballina, Alexandre Labergue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 02/12/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Buchlin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Borean
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Harion, Philippe Villedieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Métaux -- Trempe

Refroidissement par pulvérisation

Mots clés libres

Refroidissement

Transfert thermique

Spray

Impact

Simulation

Euler-Lagrange

Expérimental

PDA

Cooling

Thermic-transfert

Spray

Impact

Numerical simulation

Euler-Lagrange

Experimental

PDA

Résumé

Dans l'industrie métallurgique, le refroidissement est une étape fondamentale qui permet de donner certaines qualités aux matériaux (résistance mécanique, souplesse). L'impact d'un spray est une méthode de refroidissement connue mais mal comprise, limitant aujourd'hui ses champs d'applications. Cette thèse vise à mettre en place un outil numérique apte à l'étude et à l'optimisation futur du refroidissement par spray. La littérature met en évidence la multitude des mécanismes du refroidissement, et le peu d'informations sur les liens entre ces mécanismes et les caractéristiques du spray (diamètre, vitesse et répartition spatiale des gouttes). Pour simuler le refroidissement, on propose de séparer l'étape d'écoulement du spray de celle du calcul du refroidissement de la plaque. Une corrélation sur la densité de flux de chaleur issue de la littérature permet de lier les deux étapes. Une analyse poussée du spray est réalisée grâce à plusieurs outils expérimentaux: Analyseur à Phase Doppler, caméra rapide, mesure de débit surfacique. Les éléments clefs pour caractériser puis initialiser le spray dans la simulation sont ainsi mis en évidences. La méthode d'initialisation, la configuration numérique (Euler-Lagrange, modèle RANS k-ω), ainsi que le domaine de calcul sont validés avec l'écoulement d'un spray libre. La méthode est ensuite utilisée pour simuler l'écoulement du spray en présence d'une plaque. Finalement, le refroidissement d'une plaque est simulé. On obtient la densité de flux de chaleur extraite de la plaque en fonction des caractéristiques du spray. Cette thèse soulève des questions sur des points de simulation couramment utilisés mais menant à des erreurs dans le calcul du refroidissement

In the metallurgy industry, the cooling is a fundamental stage which allows to bring certain qualities to materials (mechanical resistance, flexibility). The impact of a spray is one known process but it is not well understood, limiting its today's scopes. This thesis aims at developing a simulation procedure, in order to obtain a useful numerical tool for the study and the future optimization of the spray cooling. Literature highlights the multitude of the mechanisms of spray cooling, but also the few existing information linking these mechanisms and the characteristics of the spray (diameter, speed and space distribution of droplets). In order to simulate the spray cooling, one proposes to split this process in two stages, the spray flow and the calculation of the cooling. Based on the literature, a correlation on the density of flow of heat removed from the plat is used to link the two stages. A full spray characterization is realized thanks to several experimental tools: Phase Doppler Analyser, speed-camera, measure of surface liquid flow density. Key elements required to characterize and also to initialize the spray in the simulation, are highlighted as well. The method of initialization, the numerical configuration (Eulerian-Lagrangian simulation, RANS k-ω turbulence model), as well as the domain of calculation are validated with the simulation of a free-fall spray. The method is then used to calculate characteristics of the spray in the presence of a surface. Finally, the cooling of plate is simulated, bringing results on the heat flow density removed from the plate in accordance with characteristics of the spray. Main results concern the highlighting of major points of simulation communally used but leading to error in the cooling simulation