Stéphane VINCENT (MDC-HDR) , Eric ARQUIS (PR, directeur I2M)

1. Mécanique des Fluides, Transferts Thermiques et simulation dans les matériauxaéronautiques: de leurélaboration à leurutilisation Stéphane VINCENT (MDC-HDR), Eric ARQUIS (PR, directeur I2M) Institut de Mécanique et d’Ingénierie – Bordeaux (I2M) Département TREFLE - ENSCBP

2. Compétences historiques du TREFLE-I2M MASTER = Modélisation Avancée des Systèmes Thermiques et Ecoulements Réels 1990 TREFLE = Transferts Ecoulements Fluides Energétique 2000 I2M = Institut de Mécanique et Ingénierie Département TREFLE 2010 • 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) 2

3. Thétis : simulateur fluide-thermique pour les écoulements complexes Interaction fluide/thermique aux interfaces • 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, … 3

4. Thétis : simulateur fluide-thermique appliqué aux matériaux pour l’aéronautique et le spatial • 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 4

5. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Remplissage des boosters d’Ariane 5 Etage d’accélération à poudre (EAP) P230 Coupes de géométrie de remplissage Courbes de poussée en fonction de la mise en œuvre du remplissage Moteur Vulcain J.-P. Caltagirone, S. Parneix, J.-B. Ritz, S. Vincent, J. Breil, S. Chaminade (Ing. ENSCBP) avec SNPE/CNES

6. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Remplissage des boosters d’Ariane 5 Aération du propergol Bouchage injecteur Effet de la viscosité

7. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Remplissage multi-malaxées des boosters d’Ariane 5 Concentration Al Vitesses Segment complet Ariane V

8. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée 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

9. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée 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

10. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Fabrication de nanomatériaux par projection plasma pour le traitement de surface ThinBoundaryCoating (TBC) • Protection thermique et chimique • Anti-adhérent • Renfort mécanique / frottement • Protection électrique Avantages : petites épaisseur, réduction des masses, géométries quelconques

11. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Fabrication de nanomatériaux par projection plasma pour le traitement de surface 12 publications en 5 ans sur ce sujet (Surf. Coat. Tech., J. Therm. Spary Coat., Physica D)

12. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Nouveaux procédés pour matériaux Composites à Matrice Céramique (CMC) Intégration dans les nouvelles générations de moteurs pour leur légèreté et leurs propriétés conservées à haute température Composition : • matrice céramique • renforts fibreux tissés + charges Pièce Thèses(s) CIFRE K. Dugois + X ?, Encadrement S. Vincent, E. Arquis, D. Lasseux, S. Glockner, collaboration avec Herakles

13. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée 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

14. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Sécurité des CMC à matrice auto-cicatrisante (MAC) Angle de contact statique = 30°, pour diff. Bo (g)x Bulles d’air 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 Pont liquide en déplacement Déplacement du pont , formation de bulles d’air et d’un film liquide Pont liquide en croissance Déplacement du pont et remplissage de la fissure Film liquide Pont liquide en déplacement Déplacement du pont et formation d’un film liquide derrière Thèse L. BENAZZOUK avec LCTS (N. Bertrand), financ. Herakles SPS (C. Descamps) / Région Aquitaine

15. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée 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 / ReactiveMelt Infiltration

16. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Conception de matériaux Composites à Matrice Céramique (CMC) Distribution des vitesses Distribution des concentrations Identification des défauts

17. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Transferts de chaleur dans les paliers de turbine • TOPIC • Advanced studies and testing of oil system internal and external components in order to contribute to ACARE goals • SFC reduction : up to 1% on CFM 56 basis • Oil consumption reduction : 0.1 l/h • Mass reduction : ~ 30kg • OS simplification • Reliability improvement : maintenance cost reduction ~10 k€/engine/year • 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 • BUDGET • Total budget ≈ 7.5 M€ WP1 Advanced Sealing WP2 Housing Heat management WP4 Oil quality and coking

18. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Transferts de chaleur dans les paliers de turbine Premières simulations diphasiques + thermiques dans des géométries réelles S. Vincent, J.-L. Estivalezes, J.-P. Caltagirone, J. Delteil, R. Badé avec Safran et ONERA

19. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Transferts de chaleur dans les paliers de turbine S. Vincent, J.-L. Estivalezes, J.-P. Caltagirone, J. Delteil, R. Badé avec Safran et ONERA

20. Aéronautique, matériaux, modélisation, simulation Quelques domaines de recherche appliquée Détermination « virtuelle » des propriétés de tissus composites Matériau réel : tressage de torons (récupération par traitement d’images) Matériau « idéal » : réseau périodique Calcul 3D des écoulements = détermination de la perméabilité (et ou de la conductivité) Collaboration avec labo LOMC (Le Havre) Hispano-Suiza GDR CNRS « MIC »

21. Conclusions / Perspectives • Compétences 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 !