Introduction / contexte
La projection plasma de suspension (SPS) est un procédé émergeant au niveau industriel notamment pour la création de revêtement céramique capable de résister longtemps aux très hautes températures et contraintes mécaniques qui règnent à l’intérieur d’un moteur d’avion par exemple (barrière thermique). Elle est classée pour l’aéronautique dans les procédés spéciaux dont les éléments de sortie ne peuvent être vérifiés que par une surveillance ou une mesure effectuée a posteriori et dont les déficiences n’apparaissent de ce fait, qu’une fois le produit en usage. La création des barrières thermiques par procédé SPS consiste en l’injection et la fusion d’un matériau céramique pulvérulent jusqu’à une taille submicrométrique au sein d’un plasma. L’écoulement du plasma permet l’accélération des particules, et les gouttes issues de la fusion s’écrasent ensuite sur un substrat. Elles s’étalent et se solidifient rapidement les unes après les autres pour former le revêtement. L’étude menée à l’I2M, en collaboration avec l’IRCER de l’université de Limoges et SAFRAN, concerne la dernière étape du procédé à l’échelle des gouttes dans le but de contribuer à la compréhension des phénomènes (dynamique et thermique) et d’analyser l’influence des conditions physiques d’impact sur la forme finale du dépôt.
Le régime de notre étude se démarque des études existantes par des tailles de particules submicrométriques. D’autre part, les limites des modèles incompressibles utilisés par de nombreux auteurs nous conduisent à étudier également un modèle diphasique compressible avec prise en compte du changement d’état. Le code massivement parallèle de mécanique des fluides Notus (https://notus-cfd.org), développé à l’I2M, est utilisé pour la résolution des équations de Navier-Stokes, la représentation des surfaces libres impliquant l’action de la tension interfaciale, la prise en compte des transferts thermiques et la solidification au travers de l’équation de l’énergie. Des expérimentations numériques jusqu’à une centaine de gouttes sont menées sur des supercalculateurs régionaux. Les résultats de ces premières simulations montrent non seulement la capacité actuelle des modèles et des méthodes employés à reproduire les phénomènes physiques, mais aussi le besoin de plus de puissance de calcul pour pouvoir caractériser un revêtement constitué par l’impact de centaines à des milliers de particules, afin d’interpréter les relations entre conditions d’impact et morphologie des gouttes post-impact.Objectif
L’objectif de ce projet de post-doctorat est de poursuivre les travaux entrepris en s’appuyant sur les moyens de calcul intensif nationaux du GENCI. En passant de quelques centaines de processeurs à plusieurs milliers nous serons en mesure d’étudier numériquement, pour la première fois dans la littérature, la naissance de la construction d’un revêtement finement structuré avec un grand nombre de particules. Le post-doctorat se déroulera en plusieurs étapes :
- détermination des paramètres de simulation permettant d’être au plus proche des conditions opératoires réelles : répartition spatio-temporelle des particules, vitesse et tailles des particules, etc.
- mise en place d’une procédure numérique de génération des gouttes en partie supérieure du domaine tenant compte des passages successifs de la torche au dessus de la surface d’impact ;
- simulations préliminaires au mesocentre de calcul MCIA sur quelques centaines de processeurs pour vérifier l’ensemble de la chaîne de calcul de la condition initiale à la solidification de deux trains de gouttes sur une surface d’impact réduite;
- simulations sur un supercalculateur du GENCI sur une dizaine de milliers de processeurs.
- analyse et interprétation des résultats
Méthodes
Les équations de Navier-Stokes régissant l’écoulement des fluides et l’équation de conservation de l’énergie sont résolues en compressible suivant une méthode de correction de pression nouvellement proposée [1]. La prise en compte du changement d’état liquide-solide est approchée par une adaptation aux écoulements diphasiques et compressibles de la méthode de linéarisation de l’enthalpie [2]. Le suivi de l’interface liquide/gaz est assuré par la méthode VOF-PLIC de reconstruction linéaire de l’interface [3]. Le schéma WENO3 est utilisé pour les termes d’advection des équations de Navier-Stokes et de l’énergie. Un schéma implicite centré d’ordre 2 est choisi pour les termes de contrainte/diffusion. Le terme de Brinkman permet de pénaliser la vitesse de la partie solidifiée du matériau à changement de phase. Pour la tension de surface, celle-ci est traitée à travers la méthode CSF (force surfacique continue). La discrétisation des termes de diffusion est effectuée par la méthode des volumes finis. Les systèmes linéaires sont résolus à l’aide la bibliothèque massivement parallèle Hypre.
Compétences
Mécanique des fluides numérique, transferts thermiques. Une expérience de développement sur un grand code de recherche (en Fortran 2008) et de simulations massivement parallèles seront particulièrement appréciées.
Contact
Cédric Le Bot : cedric.lebot@bordeaux-inp.fr, Stéphane Glockner : glockner@bordeaux-inp.fr
Financement
Université de Bordeaux/SAFRAN
Références
[1] J. Jansen, S. Glockner, D. Sharma, A. Erriguible, Incremental pressure correction method for subsonic compressible flows, submitted, 2024.
[2] B.J. Kaaks, J.W.A. Reus, M. Rohde, J L Kloosterman et D Lathouwers. « Numerical Study of Phase-Change Phenomena: A Conservative Linearized Enthalpy Approach ». 2022.
[3] G.D. Weymouth et D.K. Yue. « Conservative Volume-of-Fluid method for free-surface simulations on Cartesian-grids ». Journal of Computational Physics, 229(8):2853–2865, avril 2010
