Offre de Thèse : Modélisation et simulation numérique avancée du procédé Lost Foam

    THÈSE CEMEF 2021 : Modélisation et simulation numérique avancée du procédé Lost Foam .

    Contexte

    Le procédé Lost Foam est un procédé de fonderie de pointe permettant de réaliser des produits de formes complexes à haute qualité de finition et faible pollution. Il consiste à utiliser un modèle en polystyrène expansé de la pièce à réaliser, noyé dans un moule de sable, qui se vaporisera à la coulée de l’alliage métallique fondu[1]. Ce procédé est à l’étude pour la fabrication de pièces de moteurs automobiles de nouvelle génération.

    L’intérêt pour PSA est double : d’une part maîtriser l’environnement thermique du moule ce qui permettra d’avoir les informations nécessaires à la simulation du remplissage et donc du comportement de la pièce et la prédiction de son état final. De là peuvent être déduites des estimations de qualité indispensables à la performance du procédé. Une fois cette capacité acquise, ce sera un avantage considérable pour supporter la conception très en amont des projets en évitant le processus d’essais et erreurs. D’autre part mieux comprendre les différents phénomènes qui influent sur le refroidissement notamment : la fusion, le changement de phase, l’évacuation des résidus gazeux et l’échange avec les parois. En effet, l’écoulement multiphasique et multi-échelle doit être pris en compte par la simulation et maitrisé.

    La compréhension, la modélisation, la bonne prédiction et l’optimisation de l’étape de remplissage par le métal en fusion sont donc essentielles pour une bonne maîtrise du procédé. Durant cette étape, le front de métal liquide liquéfie puis vaporise le polystyrène, dont les résidus gazeux sont soit évacués à travers le sable, soit remontent sous forme de bulles dans la colonne de métal liquide. L’avancée du front est pilotée par l’énergie de transformation de phase du polystyrène et les transports de masse et de chaleur dans le système. Le front peut en outre se déstabiliser, former des zones irrégulières, engendrer une vaporisation incomplète empêchant l’évacuation des résidus et enfin piéger des bulles de polystyrène pouvant fragiliser la structure une fois solidifiée[2].

    Les fortes non-linéarités et les couplages forts entre la mécanique des fluides, les transferts thermiques aux différentes interfaces, les transformations de phase et l'ébullition restent extrêmement difficile à modéliser, malgré les progrès effectués par la simulation numérique. Leur prise en compte dans des logiciels de simulation du procédé est de ce fait très peu avancée.

    Objectif

    L’objectif de cette thèse est alors de développer une modélisation et des outils numériques de prédiction des phénomènes cités précédemment (voir aussi figure 1). Les travaux s’appuieront sur des méthodes de calculs couplés entre dynamique des fluides et échanges thermiques par éléments finis massivement parallèle développée au laboratoire[3] ainsi que des expériences permettant de nourrir les modèles.

    Le travail consistera à décrire les équations générales d’une simulation d’avancée du front de transformation dans des géométries de complexités croissantes, en considérant que le gaz est parfaitement évacué à travers les parois poreuses. Suite aux approximations et hypothèses décidées, on proposera une simulation capable de décrire le transfert thermique à l’interface, la fusion, le changement de phase, puis l’apparition des défauts. Les différents résultats seront validés par des données expérimentales obtenues au laboratoire et chez le partenaire industriel.

    References :
    [1]. https://fr.wikipedia.org/wiki/Moulage_à_mousse_perdue, voir aussi les vidéos de démonstration https://youtu.be/QwUmv115wpw et https://youtu.be/GYht8qVcbUs
    [2]. W. Griffiths, M. Ainsworth, 'Instability of the liquid metal-pattern interface in the lost foam casting of aluminum alloys', Metal. & Mat. Trans. A 47, 3137–3149 (2016) ; D.A. Caulk, ‘A foam engulfment model for lost foam casting of aluminum’, Int. J. Heat & Mass Transfer 49, 3831-3845 (2006)
    [3]. M. Khalloufi, R. Valette, E. Hachem, ‘Adaptive Eulerian framework for boiling and evaporation’, J. Computational Physics 401, 10930 (2020) ; C. Bahbah, M. Khalloufi, A. Larcher, Y. Mesri, T. Coupez, R. Valette, E. Hachem, ‘Conservative and adaptive level-set method for the simulation of two-fluid flows’, Computers & Fluids 191, 104223 (2019)

     Physique du changement de phase couplé à la dynamique des fluides mis en jeu

    Figure 1. Physique du changement de phase couplé à la dynamique des fluides mis en jeu, méthodes et solveurs numériques associés

    Profil et compétences recherchés

    • Formation d’ingénieur ou master en métallurgie / science des matériaux
    • Goût pour la recherche, d’analyse de pointe, la simulation numérique et la physique des fluides
    • Rigueur et capacité à s’investir pleinement dans un sujet ; Aptitude au travail en équipe
    • La maîtrise de la langue anglaise est un plus


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    Informations générales

    • Thème/Domaine : Mathématiques Numériques, Calcul Intensif, et Données
    • Lieu de travail : La thèse se déroulera au CEMEF (MINES ParisTech, Sophia Antipolis, 06).
    • Mots clés : Mécanique des fluides numériques CFD, changement de phase, physique des interfaces fluide-solide ou fluide-fluide, Modélisation, Simulation numérique, Transfert thermique, Milieux poreux
    • Durée de contrat : 3 ans à partir 4 octobre 2021
    • Rémunération : environ 27k€ brut annuel
    • Date limite pour postuler : 30 juin 2021

    Contacts

    • Equipe : Calcul Intensif et Mécanique des Fluides [CFL]
    • Encadrement académique : Prof. Rudy Valette et Prof. Elie Hachem
    • Encadrement PSA : M. Jean Pierre Michalet

    Consignes pour candidater

    • les papiers requis pour postuler :
    • CV détaillé
    • Relevés de notes des trois dernières années et classement dans la promotion
    • Lettre de motivation
    • Deux lettres de recommandation

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