Numerical and experimental study of boiling flows : Application to quenching

Étude numérique et expérimentale des phénomènes d'ébullition : Application à la trempe L'ébullition est un mode d'extraction de chaleur efficace utilisé dans nombre de procédés industriels dont la trempe. La trempe consiste à plonger une pièce de métal chaude dans un fluide pour la faire refroidir rapidement. Cette opération permet d'obtenir des microstructures possédant d'excellentes propriétés mécaniques, à condition de bien contrôler le refroidissement de la pièce. Les échanges de chaleur étant gouvernés par le comportement du fluide, il est donc essentiel de bien comprendre les mécanismes d'ébullition. Cette thèse est intégrée à la chaire industrielle INFinity qui réunit un consortium de douze industriels désirant accroitre leurs compréhension de la trempe. Pour répondre à leur besoin, une approche par simulation numérique des écoulements fluides (CFD) est employée. C'est un outil puissant qui permet la représentation virtuelle des phénomènes physiques en jeu. Appliquée à des cas industrielle, la CFD permet d'anticiper la plupart des problématiques du procédé, et ainsi d'éviter de nombreux essais expérimentaux. Ce travail s'est donc concentré sur le développement d'un outil de simulation de trempe à échelle industrielle. Pour ce faire, la démarche se décompose en quatre étapes: (i) analyser les phénomènes physiques prépondérants afin de simplifier le problème étudiée, (ii) implémenter un modèle Éléments Finis qui résout les écoulement multiphasiques avec changement de phase, (iii) valider ce modèle en simulant le mode de caléfaction lors de la trempe d'une sphère et en ébullition par film vertical, et (iv) enrichir le modèle pour envisager tous les modes d'ébullition afin d'aboutir à un outil complet de modélisation de trempe à usage industriel. Un travail analytique sur les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie dans le cadre de la trempe est présenté. En découle un travail numérique qui a mené à un outil basé sur la méthode Level Set et l'approche Continuous Surface Force. Ce modèle est validé sur différents cas tests 2D et 3D de complexités croissantes. Un travail expérimental sur l'étude de la trempe de billes de nickel a permis de compléter cette approche. Enfin des validations sur un cas académique plus complexe et sur deux cas industriels sont présentées avec une discussion sur les hypothèses et la validité du modèle.