Flow and heat transfer Analysis in Granular beds for Injection Molding

Dans la fabrication de composites, des moules avec capacité de chauffage et refroidissement intégrés ont été développés au cours des dernières années pour éviter l'utilisation de l'autoclave ou de fours en raison des limitations de taille et de coût. Cette thèse étudie un concept innovant pour la conception de tels moules à base de matériaux granulaires. La surface du moule est conçue pour être chauffée ou refroidie en passant un fluide à travers le matériau granulaire contenu dans le boîtier du moule. Ce concept présente des avantages en termes de réduction des coûts d'outillage et permet de fabriquer des pièces de géométrie complexe. De plus, l'écoulement à travers le matériau granulaire peut fournir un chauffage plus continu et uniforme de la cavité de moulage que les moules utilisant des sources de chauffage linéaires comme des conduites avec liquide caloporteur ou des éléments résistifs. La performance du chauffage doit être étudiée pour ce nouveau concept d'outillage. À cette fin, des simulations numériques seront effectuées avec la méthode de Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) en Computational Fluid Dynamics (CFD), qui fournit une description raisonnable des phénomènes de transport moyen dans les milieux poreux sans demander trop de ressources de calcul. Cependant, cela reste un défi car la présence d'une paroi pose deux problèmes principaux dans la modélisation. Premièrement, la porosité change rapidement près de la paroi. Différents modèles de porosité ont été proposés pour effectuer des simulations RANS-CFD, mais sans règles spécifiques pour sélectionner un modèle. Deuxièmement, les variables calculées par moyenne volumique dans les milieux granulaires ne correspondent pas aux valeurs ponctuelles définies sur la paroi, par exemple les valeurs de température à l'interface entre la paroi et le milieu granulaire. Cet obstacle empêche de définir correctement des conditions aux limites pour la simulation numérique. Cette thèse propose un cadre général de modélisation de l'écoulement et du transfert de chaleur dans des milieux granulaires confinés par une paroi solide, qui permet d'étudier numériquement la performance de chauffage des moules. Cet objectif est atteint à travers la préparation des 5 articles suivants (dont un article en deux parties) : 1. Une nouvelle méthode de caractérisation de la perméabilité est proposée dans l'Article 1, appelée « modified falling head test ». Par rapport à la méthode conventionnelle, cette approche permet d'élargir la plage de l'essai et permet de mesurer la perméabilité de matériaux granulaires de perméabilité de l'ordre de 10-8 m2. Cette étude montre que l'équation d'Ergun revisitée prédit la perméabilité avec précision, et permet donc de calculer la perte de charge à travers le milieu granulaire. 2. La première partie de l'Article 2 résout deux problèmes critiques précédemment mentionnés : la détermination du profil de porosité et l'incompatibilité des variables physiques définies à l'interface avec la paroi. On dérive les équations qui gouvernent l'écoulement et le transfert de chaleur pour un volume élémentaire représentatif non constant (« Representative Elementary Volume » - REV). 3. Dans la partie 2 de l'Article 2, les équations qui gouvernent l'écoulement et le transfert de chaleur sont validées expérimentalement en comparant des mesures expérimentales de la température et du flux de chaleur avec les prédictions numériques. Une analyse plus détaillée montre l'importance de modéliser la turbulence, qui joue ici un rôle critique, particulièrement près de la paroi. 4. À partir des équations dérivées et validées à l'Article 2, une étude paramétrique est présentée dans l'Article 3 pour analyser l'effet de différents paramètres de conception dans un tube chauffé rempli de billes. Pour raccourcir le temps nécessaire pour atteindre l'uniformité de la température, la réduction de l'épaisseur en paroi ou l'utilisation de matériaux à faible capacité thermique jouent un rôle majeur. 5. Dans le cadre de modélisation développé dans les études précédentes, l'Article 4 étudie par simulation numérique les moules granulaires pour deux matériaux du moule : un matériau polymère renforcé par des fibres et l'aluminium. On peut vérifier que la température de la surface du moule devient uniforme dans un délai raisonnable dans les deux cas pour des conditions d'essai réalistes. Cela est comparable aux outils chauffants conventionnels avec des conduits. Avec les méthodes numériques et expérimentales développées dans cette thèse, le concept innovant d'outillage chauffé à base de matériaux granulaires a pu être étudié dans le but de développer des applications. Les résultats confirment la performance de cette méthode de chauffage et favorisent des développements ultérieurs.