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Thèse CEMEF 2020 : Simulation en mécanique des fluides de l’écoulement bi-phasique et supersonique gaz-particules et application au procédé cold spray.

Postée le 19 juin

Lieu : La thèse se déroulera au sein du Centre de mise en forme des Matériaux (CEMEF), à Sophia-Antipolis, France · Contrat : CDD · Rémunération : Environ 27 k€ brut annuel €

Société : MINES ParisTech – CEMEF

Leader mondial dans le domaine des matériaux, des procédés et de leur modélisation, le CEMEF réalise une recherche partenariale avec l'industrie et forme des experts (doctorats et mastère spécialisé).
Pluridisciplinaire, le CEMEF étudie tous les types de matériaux (métaux et alliages métalliques, polymères synthétiques et issus de la biomasse, composites, béton...) et de procédés industriels en s’intéressant aux différentes étapes de la vie du matériau :
élaboration -> mise en forme -> traitements thermiques -> assemblage -> propriétés d'usage -> recyclage
Elément majeur d’innovation, sa compréhension du comportement des matériaux aux différentes échelles, de l'interaction outil-matière, de l’impact des procédés sur les propriétés finales permet l’optimisation et le développement de procédés de fabrication de plus en plus complexes et contraints (technologie, énergie, environnement…).
Il s’appuie sur des approches couplant techniques expérimentales et modélisations numériques
Le CEMEF, c'est plus de 160 ingénieurs, chercheurs, étudiants, techniciens, animés par la même curiosité face à la complexité des phénomènes, la même envie de se dépasser pour agrandir le champ des connaissances, le même goût du défi scientifique.
C’est un centre de recherche de MINES ParisTech, associé au CNRS.
Spécialisations : polymères, bioplastiques, composites, métaux, alliages métalliques, transformation des matériaux, physique, mécanique, thermique, propriétés d'emploi, tenue en service, modélisation numérique, développement logiciel, calcul intensif, surfaces.

Description du poste

Contexte industriel

On a assisté, dans les dernières années, à une croissance de l’intérêt des industries vers le procédé cold spray, pour les possibilités offertes par ce procédé versatile en applications et matériaux projetables (métaux, polymères, céramiques et leurs mélanges). Trois champs d’application sont abordables par la technologie de projection dynamique par gaz froid (cold spray) : une méthode de réparation révolutionnaire (grand pièces et en situ), nouvelle méthode de fabrication additive de pièces et fonctionnalisation de surface par l’apport d’un revêtement. La période est propice au lancement de nouvelles études sur ces sujets, avec la possibilité d’investissement industriels R&D pour différentes applications du procédé.

En effet, cette technologie accélère les particules métalliques à des vitesses élevées pour les déposer sur la surface des pièces de différente nature. Contrairement aux méthodes conventionnelles de projection thermique, il n'y a pas de fusion des matériaux en poudre avec un dépôt de matériau possible sur les surfaces métalliques et non métalliques. Le défi consiste donc à optimiser et à adapter cette méthode de dépôt sophistiquée pour différentes applications, en particulier en automobile et aéronautique.

Contexte simulation

Une tuyère convergente-divergente (type De-Laval) permet de transformer la température et la pression du gaz en énergie cinétique, entraînant son accélération jusqu’à une vitesse supersonique et son refroidissement à une température inférieure à 100°C. Les poudres, injectées dans la zone haute pression de la buse, sont accélérées à des vitesses pouvant atteindre 1200m/s. La déformation des particules lors de l’impact permet d’obtenir des revêtements de très bonne qualité, avec une forte adhérence et aucune oxydation.

Il est donc capital de se doter des moyens poussés numériques et expérimentaux pour, dans un premier temps, simuler et comprendre les phénomènes complexes de ce système et, dans un deuxième temps, proposer des optimisations pour augmenter les performances du procédé et les rendements de projections, rendant le procédé plus attractif pour les industries. Plusieurs améliorations de système sont possibles : la géométrie de la buse, l’empilement des particules, la qualité des dépôts, la dispersion des particules, parmi d’autres.

En effet, les producteurs de systèmes cold spray proposent aujourd’hui sur le marché très peu de modèles de buses avec quelques variations dans leur géométrie et matériau. Pour illustration, on a assisté que récemment à la mise sur le marché d’une première buse coudée, qui permet de projeter à l’intérieur d’espaces confinés et donc ouvrir la voie à des applications nouvelles (cf thèse en cours L. Aubanel avec Renault, pour la projection dans la chemise des cylindres des moteurs automobiles). Cependant, maitriser la simulation numérique de ce procédé reste un grand challenge. Il existe une bibliographie assez riche sur la modélisation de l’écoulement gazeux et biphasé pour le cold spray, surtout en utilisant des modèles de turbulence de type RANS [1-6]. Néanmoins, dans la plupart des cas, les travaux se limitent à développer et valider ces modèles dans des configurations et sur des géométries simples (voir figure 1). Malgré les progrès effectués par la simulation numérique, ce processus reste extrêmement difficile à modéliser [6].

Objectifs et démarche

Le développement d'outils numériques permettant la simulation réaliste de ce procédé à l'échelle industrielle est donc envisagé dans ce projet. La mécanique des fluides est simulée en utilisant une méthode vibrationnelle mutli-échelle (LES implicite) permettant de considérer des écoulements à différents nombre de Reynolds [7]. Les transferts thermiques sont calculés directement sans l'utilisation de coefficients de transferts empiriques, en utilisant le couplage fort entre le fluide, le gaz et le solide. Une formulation unifiée des équations de Navier-Stokes pour les écoulements compressibles et supersoniques est envisagé. Son extension pour l’adapter à l’écoulement biphasé (gaz-particules) en régime supersonique formera la partie innovante de cette thèse. Nous développons ainsi un estimateur d’erreur a posteriori et donc une métrique dédiée à ce type d’écoulement supersonique pour le maillage anisotrope en parallèle pour à la fois augmenter la précision du nouveau solveur et réduire les couts de calcul en 3D.

La validation des modèles avec des données expérimentales acquises grâce à un système développé au CDM, permettant de réaliser à la fois des mesures de vitesse des particules par PIV (Particle Image Velocimetry) et des observations de l’écoulement du gaz par ombroscopie.

Les résultats du projet serviront à qualifier cette technologie pour toutes les applications potentielles. Une première application consiste à optimiser des géométries des buses (droites et coudées) pour des applications discutées avec Renault. Une deuxième s’orientera vers l’étude de l’effet de l’angle de projection et de la distance de projection avec la buse actuelle et les nouveaux designs sur le phénomène d’onde de choc et ses conséquences sur le rendement de projection sur des applications qui intéressent d’autres partenaires potentiels, comme par exemple le majeur producteur de systèmes cold spray, Impact Innovations Gmbh. Finalement, la fabrication additive de buses prototypes, spécifiques à chaque application, et essais de projection de revêtements seront extrêmement utiles pour confirmer les résultats.

Plus d’infos sur :
https://www.cemef.mines-paristech.fr/offre-de-these-simulation-en-mecanique-des-fluides-de-lecoulement-bi-phasique-et-supersonique-gaz-particules-et-application-au-procede-cold-spray/

Profil recherché

-Formation d’ingénieur ou master /mathématiques appliquées/mécanique numérique/science des matériaux
-Goût pour la recherche, d’analyse de pointe, la simulation numérique et la physique des fluides
-Rigueur et capacité à s’investir pleinement dans un sujet - Aptitude au travail en équipe
-La maîtrise de la langue anglaise est un plus

Pour postuler :

Candidatures en ligne uniquement sur https://applyfor.cemef.mines-paristech.fr/phd/