stéphane vincent (mdc-hdr) , eric arquis (pr, directeur i2m)

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


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


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


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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Remplissage des boosters d’Ariane 5

Aération du propergol Bouchage injecteur Effet de la viscosité


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Remplissage multi-malaxées des boosters d’Ariane 5

Concentration Al

Vitesses

Segment complet Ariane V


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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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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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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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12 publications en 5 ans sur ce sujet (Surf. Coat. Tech., J. Therm. Spary Coat., Physica D)


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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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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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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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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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Conception de matériaux Composites à Matrice Céramique (CMC)

Distribution des concentrations Distribution des vitesses

Identification des défauts


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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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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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S. Vincent, J.-L. Estivalezes, J.-P. Caltagirone, J. Delteil, R. Badé avec Safran et ONERA


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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 !

stéphane vincent (mdc-hdr) , eric arquis (pr, directeur i2m)

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