Soutenance de thèse d’Ayoub Aalilija

Résumé :

L'étude de la solidification en microgravité permet aux chercheurs de dissocier les phénomènes indépendants de la gravité de ceux qui en dépendent. L'objectif est de parvenir à une meilleure compréhension de la solidification permettant à l'industrie métallurgique d'atteindre les propriétés recherchées pour les produits métalliques et d'éviter les défauts qui apparaissent lors de leur élaboration. C'est dans ce contexte que les projets NEQUISOL et CCEMLCC de l'Agence spatiale européenne sont définis. Dans le cadre de ces deux projets, nous proposons une modélisation numérique pour simuler les expériences de solidification d'échantillons métalliques en lévitation électromagnétique dans la Station Spatiale Internationale. Notre outil numérique est basé sur la résolution par éléments finis des équations de conservation de l'énergie, de la masse totale, de la quantité de mouvement et de la masse des espèces chimiques d'un système multi-domaine impliquant un alliage métallique multicomposant. Une formulation monolithique permet la résolution d'un seul système d'équations sur un seul maillage eulérien. Une formulation éléments finis VMS stabilisée est proposée pour résoudre les équations de Navier-Stokes. La modélisation est enrichie par la prise en compte du retrait de solidification, de la tension de surface et de l'effet Marangoni agissant à l'interface liquide-gaz. Un modèle de résistance thermique de contact est développé et validé, permettant de prendre en compte les imperfections de contact thermique entre les différents matériaux. La méthode Level Set est utilisée pour modéliser les interfaces entre les sous-domaines. L'interface liquide-solide dans le sous-domaine métallique est implicitement représentée par la méthode de la moyenne volumique. Dans un premier temps, nous proposons des simulations d'expériences de mesure de la tension de surface et de la viscosité des métaux liquides en utilisant la technique de la goutte oscillante en microgravité. Ce benchmark offre une comparaison quantitative entre les résultats numériques et une solution analytique que nous avons dérivée en 2D et 3D.  Une fois que nous avons validé notre modélisation numérique de la dynamique de l'interface liquide-gaz, nous effectuons des simulations de solidification d'une gouttelette d'acier et la comparons aux données de la première et unique expérience réalisée dans la Station Spatiale Internationale dans le cadre du projet CCEMLCC.

 

 

 

Mots-clés : Simulation numérique; Éléments Finis; Level Set; Tension de Surface; Marangoni; Résistance thermique de contact; Goutte oscillante; Solidification; Microgravité