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CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 1 Calcul de propriétés thermoradiatives de milieux poreux Julien Yves Rolland*, Aurélien Canizares, Benoit Rousseau.

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1 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 1 Calcul de propriétés thermoradiatives de milieux poreux Julien Yves Rolland*, Aurélien Canizares, Benoit Rousseau CEMHTI UPR CNRS D avenue de la Recherche Scientifique, Orléans cedex 02 * Jérôme Vicente IUSTI UMR CNRS Polytech Marseille 5 rue Enrico Fermi, Marseille cedex 13, France Journées d'Etude en Rayonnement Thermique mars 2010 Ecole des Mines d'Albi-Carmaux

2 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 2 Plan de lexposé Cadre des travaux Stratégie de caractérisation numérique appliquée à une mousse daluminium Premiers résultats obtenus Synthèse, conclusion et perspective

3 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 3 Plan de lexposé Cadre des travaux Stratégie de caractérisation numérique appliquée à dune mousse daluminium Premiers résultats obtenus Synthèse, conclusion et perspective

4 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 4 Cadre des travaux Etude des propriétés radiatives de matériaux poreux 200 µm Chambre de combustion Projection plasma 20 µm Rousseau et al., Appl. Phys. Lett., 79 (2001), IR heater Corps noirsCathode (Fuel cell)

5 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 5 Dynamique multi-discipline Matériaux hétérogènes micro & nano poreux Verres-Céramiques-Mousses Grandeurs Thermoradiatives Equivalentes: Caractérisation expérimentale Spectroscopie démission infrarouge K, µm MATERIAUX ENERGIE Reconstruction 3D - Microstructure Monte Carlo – Transport de photons CODE DE CALCUL Expérience numérique ELABORATION Validation Directes : E,R,T

6 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 6 L. del Campo Méthode expérimentale Laser CO 2 Bruker Vertex 80v (FT-IR) Bruker Vertex 70 (FT-IR) Enceinte porte échantillon Emittance spectrale directionnelle ( ): 500K – 3000K [ 0.6 – 1000 µm] P. Melin Refl. spectrale Norm. Hémi. Trans. spectrale Norm. Hémi. [2-25 µm] 300K y x Transmission Réflexion A. Canizares

7 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 7 Modélisation des propriétés radiatives 300 K 400 à cm -1 y x Transmission Réflexion Flexibilité : en température en nombre donde Méthode numérique Méthode expérimentale

8 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 8 Plan de lexposé Cadre des travaux Stratégie de caractérisation numérique appliquée à dune mousse daluminium Premiers résultats obtenus Synthèse, conclusion et perspective

9 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 9 Stratégie de simulation numérique Algorithme de lancer de rayon Exploitation des résultats pour calcul de propriétés thermoradiatives Choix de lois physiques de propagation (optique géométrique, diffusion Mie, …) et des paramètres de propagation (indices optiques) Acquisition de la texture (µ-tomographie) Reconstruction dun échantillon numérique Caractérisation Numérisation Simulation Caractérisation chimique (composition chimique, concentration en impuretés) Caractérisation texturale (porosité, surface spécifique, distribution des tailles de pores…)

10 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 10 Mousse daluminium ERG Al 20 Elaboration : Mousse de réplication à brin plein daluminium Texture poreuse à échelle multiple dhétérogénéités : Macro porosité 400 µm Méso porosité 1-20 µm 20 µm 5 cm

11 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 11 Caractérisation chimique Brins aluminium sans impuretés Al Spectre EDX (spectroscopie de dispersion électronique) Aleksandar D. Rakić. Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum, Appl. Opt. 34, (1995)

12 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 12 Analyse morphologique Utilisation du logiciel iMorph (Jérôme Vicente & Emmanuel Brun – IUSTI PolytechMarseille) Données obtenues par µ-Tomographie X (ESRF ID 19) : Dimensions 40 × 40 × 15 mm Résolution de 88, 41 µm Mousse 442 × 442 × 171 Voxels 171 images Tortuosité Extraction de cellule ellipsoïdes équivalentes Classification locale de forme

13 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 13 Echantillon numérique Utilisation dun algorithme de Marching Cube pour obtenir des interfaces 3D Segmentation des interfaces solides/liquides sur les données de µ-tomographie

14 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 14 Règle de transport Distribution de tailles de pore obtenue par analyse texturale (X Mie >>1) Optique géométrique Composition chimique obtenue par spectre EDX + Imagerie MEB [ Epaisseur moyenne dun brin (d) coefficient dabsorption (K) ] >> 1 => Brins opaques Interface = réseau de triangles optiquement polis (Marching cube) Réflexion spéculaire fonction de langle dincidence Test dune réflexion lambertienne (pores < résolution tomographie)

15 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 15 Simulation numérique dans un VER Génération de N photons dans un faisceau collimaté à variable Photon rétro-diffusé par la face illuminée Réflexion directionnelle hémisphérique (R) Photons absorbé après réflexion multiple au sein du volume global de simulation Emission (E) Photons sortant par les autres faces Transmission directionnelle hémisphérique (T) Estimation de lémissivité (Loi de Kirchhoff) B. Rousseau, D. De Sousa Meneses, P. Echegut, M. Di Michiel, J.F. Thovert, Prediction of the thermal radiative properties of an x-ray µ-tomographied porous silica glass, Applied Optics 46 (2007)

16 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 16 Plan de lexposé Cadre des travaux Stratégie de caractérisation numérique appliquée à dune mousse daluminium Premiers résultats obtenus Synthèse, conclusion et perspective

17 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 17 Raytracing - Face de rétrodiffusion Réflexion spéculaire Données de simu : Nb donde (cm -1 ) : n : 2.47 k : 21.0 Nb de rayons : 10 6 Diamètre du spot : 1/3 × côté Réflexion lambertienne

18 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 18 Raytracing - Face de transmission Réflexion spéculaire Réflexion lambertienne

19 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 19 Raytracing – Faces latérales SpéculaireLambertien Profondeur effective de pénétration ?

20 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 20 Influence du modèle de réflexion Le modèle de réflexion pilote la distribution du nombre dinteractions total vécus. Données de simu : Nb donde (cm -1 ) : n : 2.47 k : 21 Nb de rayons : 10 6 Diamètre du spot : 1/3 × côté

21 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 21 Grandeurs spectroscopiques Influence du modèle de diffusion Nécessité de prise en compte de la micro-structure

22 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 22 Grandeurs spectroscopiques

23 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 23 Influence de la taille du spot Echantillon : Taille totale : 40x40x15 mm 3 Volume de mesure : 30x30x15 mm 3 Fluctuation des grandeurs spectroscopiques par rapport au ø du spot.

24 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 24 Plan de lexposé Cadre des travaux Stratégie de caractérisation numérique appliquée à dune mousse daluminium Premiers résultats obtenus Synthèse, conclusion et perspective

25 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 25 Synthèse des résultats Linfluence de la méso-porosité non acquise par tomographie a été mise en évidence. Les comportements de diffusion sont cohérents avec les résultats de la littérature (A.G. Fedorov, R. Viskanta, Radiation Characteristics of Glass Foams, J. Am. Ceram. Soc). Des lois de diffusion en surface doivent être utilisées pour traduire la micro-porosité (thèse Mathilde Loretz CETHIL). Le diamètre du spot démission a une influence différente sur les grandeurs radiatives et les grandeurs spectroscopiques (Notion de VER différente ?)

26 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 26 Conclusions Elaboration dun outil de simulation numérique permettant lévaluation de propriétés radiatives de milieux poreux à partir dimages 3D (tomographie, RMN,…) si lapproximation de loptique géométrique est valide. Traitement déchantillons numériques de volume semblable à ceux des échantillons caractérisés par spectroscopie démission infrarouge : possibilité de confronter les résultats. Outil numérique permettant ensuite denvisager des modifications de textures et/ou de compositions à des fins daide à la conception de matériaux. Développement dun plug-in « radiatif » dans un code préexistant (iMorph) permettant une analyse complémentaire à létude morphologique : dépôt dune licence CECILL en cours.

27 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 27 Perspectives Evaluer lerreur statistique de Monte-Carlo sur les mesures numériques. Modifier le spot démission et les lois de tirage pour obtenir une densité de flux constante en émission. Mettre en cohérence les définitions et les moyens de mesure de la transmitance expérimentale et numérique. Evaluation de grandeurs radiatives et de grandeurs directionnelles (albedo, fonction de phase, émittance directionnelle). Adapter larchitecture du code numérique pour le traitement de milieu transparent à haute température (Zr0 2 -8%Y 2 O 3, Al 2 O 3, MgO,Si0 2 )

28 CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans P. 28 Merci pour votre attention


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