3ème journée scientifique de l’IPB, Aéronautique, espace et systèmes embarqués, 29 novembre 2013 – ENSEIRB-MATMECA, Talence, France
Stéphane VINCENT (MDC-HDR), Eric ARQUIS (PR, directeur I2M)
Institut de Mécanique et d’Ingénierie – Bordeaux (I2M)
Département TREFLE - ENSCBP
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Mécanique des Fluides, Transferts Thermiques et simulation dans les matériaux
aéronautiques: de leur élaboration à leur utilisation
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Compétences historiques du TREFLE-I2M
I2M = Institut de Mécanique et Ingénierie
Département TREFLE
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MASTER = Modélisation Avancée des Systèmes Thermiques et Ecoulements Réels
TREFLE = Transferts Ecoulements Fluides Energétique
• Résolution de problèmes industriels par la modélisation et la simulation
• Développement d’un outil propre de simulation (Aquilon puis « Thétis »)
• Financement par des industriels (SME, SEP, TURBOMECA, SNECMA, SAFRAN, EADS, CEA, ONERA, AIRBUS, CNES)
1990
2000
2010
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Thétis : simulateur fluide-thermique pour les écoulements complexes
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• Mécanique des fluides compressible/incompressible
• Diphasique, capillarité, ligne triple
• Milieux poreux
• Interaction fluide/structure, particules
• Transferts de chaleur, changement de phase
• Méthodologies numériques originales => grilles fixes pour géométries complexes
• Robuste, simple d’utilisation, grande adaptabilité, massivement parallèle
• Utilisation/développement partagésAcad. : IMFT (Toulouse), LEMTA (Nancy), LOMC, PROMES, LAMSIN, …Indus. : EDF, SAFRAN, CEA, ARCELOR-MITTAL, TOTAL, Michelin, Varel-Europe, …
Interaction fluide/thermique
aux interfaces
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Thétis : simulateur fluide-thermique appliqué aux matériaux pour l’aéronautique et le spatial
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• Matériaux composites = milieux hétérogènes
=> interfaces
• Mise en œuvre de pièces = remplissage / imprégnation / moulage
=> interfaces
• Tenue mécanique/thermique des matériaux = caractérisation
=> interfaces
• Fonctionnalisation des matériaux = traitement de surface
=> interfaces
Modélisation / Simulation avec Thétis
Prédire les topologies des matériaux hétérogènes / leurs comportements dans des conditions non-standard
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Remplissage des boosters d’Ariane 5
Moteur Vulcain
Etage d’accélération à poudre (EAP) P230
Courbes de poussée en fonction de la mise en œuvre du remplissage
Coupes de géométrie de remplissage
J.-P. Caltagirone, S. Parneix, J.-B. Ritz, S. Vincent, J. Breil, S. Chaminade (Ing. ENSCBP) avec SNPE/CNES
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Remplissage des boosters d’Ariane 5
Aération du propergol Bouchage injecteur Effet de la viscosité
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Remplissage multi-malaxées des boosters d’Ariane 5
Concentration Al
Vitesses
Segment complet Ariane V
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Rentrée Atmosphérique
- Analyse de la « catalycité » des matériaux de rentrée : modèle ab-initio d’interaction surface/plasma pour estimation flux de chaleur
- Caractérisation thermochimique du matériau liège
Thèse : N. PERRON avec IMS (J.C. Rayez et col.) + EADS Astrium (D. Conte)
Post-Ing : C. GABORIAU (Ing. ENSCBP) avec CRPP, HPK et ASTRIUM-ST (L. Darriol)
PERRON N., PINEAU N., ARQUIS E., RAYEZ J.-C., SALIN A. "Adsorption of atomic oxygen on the Cu (100) surface)”, Surface Science, 599, pp. 160-172, 2005
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Fabrication de nanomatériaux par projection plasma pour le traitement de surface
Substrat à revêtir
Nano-revêtement
S. Vincent, E. Meillot, J.-P. Caltagirone, G. Balmigère, C. Caruyer, F. Sarret, F. Girard avec CEA-Ripault
Dispersion des nano-poudres
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Fabrication de nanomatériaux par projection plasma pour le traitement de surface
Thin Boundary Coating (TBC)
•Protection thermique et chimique
•Anti-adhérent
•Renfort mécanique / frottement
• Protection électrique
Avantages : petites épaisseur, réduction des masses, géométries quelconques
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Fabrication de nanomatériaux par projection plasma pour le traitement de surface
12 publications en 5 ans sur ce sujet (Surf. Coat. Tech., J. Therm. Spary Coat., Physica D)
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Nouveaux procédés pour matériaux Composites à Matrice Céramique (CMC)
Pièce
Intégration dans les nouvelles générations de moteurs pour leur légèreté et leurs propriétés conservées à haute température
Composition :
•matrice céramique
•renforts fibreux tissés + charges
Thèses(s) CIFRE K. Dugois + X ?, Encadrement S. Vincent, E. Arquis, D. Lasseux, S. Glockner, collaboration avec Herakles
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Enduction Grande Vitesse de Fibres (CMM)
Nouveau procédé d’élaboration de « précurseurs » de CMM : fibres SiC enduite de
Titane:
•Caractérisation du mouillage « réactif » (couple solide/fluide)
•Caractérisation de l’épaisseur fluide déposée
•Analyse des instabilités d’enduction
Thèse D. VERMAUT (Ing ENSCBP) avec LCTS (Y. Lepetitcorps), SNECMA Moteurs + DGA
Publis + Brevet + Prix Aerospace Valley 2012
VERMAUT D., ARQUIS E., LEPETITCORPS Y., “High speed coating of a fiber – influence of the fluid properties on coating thicknesses”, Chemical Engineering and Processing
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Sécurité des CMC à matrice auto-cicatrisante (MAC)
Devenir de la phase verre générée dans une fissure par le processus de cicatrisation sous
effet de rotation
Méthodes / Résultats :
•Caractérisation de la phase verre
•Simulation des effets de capillarité
•Critères de stabilité % centrifugation, géométrie, vibrations
Thèse L. BENAZZOUK avec LCTS (N. Bertrand),
financ. Herakles SPS (C. Descamps) / Région Aquitaine
Déplacement du pont , formation de bulles d’air et d’un film liquide
Déplacement du pont et remplissage de la fissure
Déplacement du pont et formation d’un film liquide derrière
(g)x
Pont liquide en déplacement
Bulles d’air
Pont liquide en croissance
Pont liquide en déplacement
Film liquide
Angle de contact statique = 30°, pour diff. Bo
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Conception de matériaux Composites à Matrice Céramique (CMC)
Densification de renforts tissus carbone par imprégnation par une résine contenant des nano-particules de carbone
•Technique APS : Absorption de Poudre Submicronique
•Procédés MI/RMI : Melt Infiltration / Reactive Melt Infiltration
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Conception de matériaux Composites à Matrice Céramique (CMC)
Distribution des concentrations Distribution des vitesses
Identification des défauts
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Transferts de chaleur dans les paliers de turbine
WP1 Advanced Sealing
WP
2 H
ou
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g
Hea
t m
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t
WP
4 Oil q
uality an
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king
• TOPIC Advanced studies and testing of oil system internal and external components in order to contribute to ACARE goals
1. SFC reduction : up to 1% on CFM 56 basis
2. Oil consumption reduction : 0.1 l/h
3. Mass reduction : ~ 30kg
4. OS simplification
5. Reliability improvement : maintenance cost reduction ~10 k€/engine/year
6. Reduction of DOC for companies : 60k€/engine/year
• PARTNERS– WP1 : MTU, SN, FIT, TA, ULB– WP2 : RRD, SN, RRUK, ITP, IPB, ULB, TA– WP3 : TA, MTU, CENAERO, ULB, WSK– WP4 : SN, UFSD, RRUK, ULB, TA,
TEKNIKER
• BUDGETTotal budget ≈ 7.5 M€
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Transferts de chaleur dans les paliers de turbine
S. Vincent, J.-L. Estivalezes, J.-P. Caltagirone, J. Delteil, R. Badé avec Safran et ONERA
Premières simulations diphasiques + thermiques dans des géométries réelles
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Transferts de chaleur dans les paliers de turbine
S. Vincent, J.-L. Estivalezes, J.-P. Caltagirone, J. Delteil, R. Badé avec Safran et ONERA
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Aéronautique, matériaux, modélisation, simulationQuelques domaines de recherche appliquée
Détermination « virtuelle » des propriétés de tissus composites
Matériau « idéal » : réseau périodique
Matériau réel : tressage de torons (récupération par traitement d’images)
Calcul 3D des écoulements = détermination de la perméabilité (et ou de la conductivité)
Collaboration avec labo LOMC (Le Havre)Hispano-Suiza GDR CNRS « MIC »
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Conclusions / PerspectivesCompétences acquises :
Au Dpt TREFLE
• Simulation
• Caractérisation thermique [lien avec FAHRENHEIT]
Mais aussi sein d’autres Dpts de I2M :
- APY (CND Ultrasonore) [lien avec CANOE]
- DuMAS (Adhésion-Collage- Fatigue-Durabilité-Corrosion)
- MPI (Elaboration, Usinage, Soudage, )
- IMC (Conception, Recyclage,…)
L’avenir …
Modélisation multi-échelles et multi-physiques des matériaux : Matériaux Virtuels !