Offre de Thèse : Simulation en mécanique des fluides de l’écoulement bi-phasique et supersonique gaz-particules et application au procédé cold spray.

On a assisté, dans les dernières années, à une croissance de l’intérêt des industries vers le procédé cold spray, pour les possibilités offertes par ce procédé versatile en applications et matériaux projetables (métaux, polymères, céramiques et leurs mélanges). Trois champs d’application sont abordables par la technologie de projection dynamique par gaz froid (cold spray) : une méthode de réparation révolutionnaire (grand pièces et en situ), nouvelle méthode de fabrication additive de pièces et fonctionnalisation de surface par l’apport d’un revêtement. La période est propice au lancement de nouvelles études sur ces sujets, avec la possibilité d’investissement industriels R&D pour différentes applications du procédé.

En effet, cette technologie accélère les particules métalliques à des vitesses élevées pour les déposer sur la surface des pièces de différente nature. Contrairement aux méthodes conventionnelles de projection thermique, il n'y a pas de fusion des matériaux en poudre avec un dépôt de matériau possible sur les surfaces métalliques et non métalliques. Le défi consiste donc à optimiser et à adapter cette méthode de dépôt sophistiquée pour différentes applications, en particulier en automobile et aéronautique.

Une tuyère convergente-divergente (type De-Laval) permet de transformer la température et la pression du gaz en énergie cinétique, entraînant son accélération jusqu’à une vitesse supersonique et son refroidissement à une température inférieure à 100°C. Les poudres, injectées dans la zone haute pression de la buse, sont accélérées à des vitesses pouvant atteindre 1200m/s. La déformation des particules lors de l’impact permet d’obtenir des revêtements de très bonne qualité, avec une forte adhérence et aucune oxydation.

Il est donc capital de se doter des moyens poussés numériques et expérimentaux pour, dans un premier temps, simuler et comprendre les phénomènes complexes de ce système et, dans un deuxième temps, proposer des optimisations pour augmenter les performances du procédé et les rendements de projections, rendant le procédé plus attractif pour les industries. Plusieurs améliorations de système sont possibles : la géométrie de la buse, l’empilement des particules, la qualité des dépôts, la dispersion des particules, parmi d’autres.

En effet, les producteurs de systèmes cold spray proposent aujourd’hui sur le marché très peu de modèles de buses avec quelques variations dans leur géométrie et matériau. Pour illustration, on a assisté que récemment à la mise sur le marché d’une première buse coudée, qui permet de projeter à l’intérieur d’espaces confinés et donc ouvrir la voie à des applications nouvelles (cf thèse en cours L. Aubanel avec Renault, pour la projection dans la chemise des cylindres des moteurs automobiles). Cependant, maitriser la simulation numérique de ce procédé reste un grand challenge. Il existe une bibliographie assez riche sur la modélisation de l’écoulement gazeux et biphasé pour le cold spray, surtout en utilisant des modèles de turbulence de type RANS [1-6]. Néanmoins, dans la plupart des cas, les travaux se limitent à développer et valider ces modèles dans des configurations et sur des géométries simples (voir figure 1). Malgré les progrès effectués par la simulation numérique, ce processus reste extrêmement difficile à modéliser [6].

Le développement d'outils numériques permettant la simulation réaliste de ce procédé à l'échelle industrielle est donc envisagé dans ce projet. La mécanique des fluides est simulée en utilisant une méthode vibrationnelle mutli-échelle (LES implicite) permettant de considérer des écoulements à différents nombre de Reynolds [7]. Les transferts thermiques sont calculés directement sans l'utilisation de coefficients de transferts empiriques, en utilisant le couplage fort entre le fluide, le gaz et le solide. Une formulation unifiée des équations de Navier-Stokes pour les écoulements compressibles et supersoniques est envisagé. Son extension pour l’adapter à l’écoulement biphasé (gaz-particules) en régime supersonique formera la partie innovante de cette thèse. Nous développons ainsi un estimateur d’erreur a posteriori et donc une métrique dédiée à ce type d’écoulement supersonique pour le maillage anisotrope en parallèle pour à la fois augmenter la précision du nouveau solveur et réduire les couts de calcul en 3D.

La validation des modèles avec des données expérimentales acquises grâce à un système développé au CDM, permettant de réaliser à la fois des mesures de vitesse des particules par PIV (Particle Image Velocimetry) et des observations de l’écoulement du gaz par ombroscopie.

Les résultats du projet serviront à qualifier cette technologie pour toutes les applications potentielles. Une première application consiste à optimiser des géométries des buses (droites et coudées) pour des applications discutées avec Renault. Une deuxième s’orientera vers l’étude de l’effet de l’angle de projection et de la distance de projection avec la buse actuelle et les nouveaux designs sur le phénomène d’onde de choc et ses conséquences sur le rendement de projection sur des applications qui intéressent d’autres partenaires potentiels, comme par exemple le majeur producteur de systèmes cold spray, Impact Innovations Gmbh. Finalement, la fabrication additive de buses prototypes, spécifiques à chaque application, et essais de projection de revêtements seront extrêmement utiles pour confirmer les résultats.

Références bibliographiques :
[1] K.-H. Leitz , M. O'Sullivan , A. Plankensteiner , T. Lichtenegger , S. Pirker , H. Kestler , L.S. Sigl, CFDEM modelling of particle heating and acceleration in cold spraying, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 73 (2018) 192–198
[2] Chirag Singhal, Qasim Murtaza, Parvej, Simulation of Critical Velocity of Cold Spray Process with Different Turbulence Models, Materials Today: Proceedings 5 (2018) 17371–17379
[3] D. MacDonald, S. Leblanc-Robert, R. Ferna ́ndez, A. Farjam, and B. Jodoin, Effect of Nozzle Material on Downstream Lateral Injection Cold Spray Performance, Journal of Thermal Spray Technology 25(6) (2016) 1149-1157
[4] M. Faizan-Ur-Rab, S.H. Zahiri, S.H. Masood, T.D. Phan, M. Jahedi, R. Nagarajah, Application of a holistic 3D model to estimate state of cold spray titanium particles, Materials and Design 89 (2016) 1227–1241
[5] R.N. Raoelison, L.L Koithara, S. Costil, C. Langlade, Turbulences of the supersonic gas flow during cold spraying and their negative effects: A DNS CFD analysis coupled with experimental observation and laser impulse high-speed shadowgraphs of the particles in-flight flow, International Journal of Heat and Mass Transfer 147 (2020) 118894
[6] Shuo Yin, Morten Meyer, Wenya Li, Hanlin Liao, and Rocco Lupoi, Gas Flow, Particle Acceleration, and Heat Transfer in Cold Spray: A review, Journal of Thermal Spray Technology 25 (2016) 874–896
[7] E.Hachem, M.Khalloufi, J.Bruchon, R.Valette, Y.Mesri, Unified adaptive Variational MultiScale method for two phase compressible–incompressible flows, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 308, pp. 238-255, 2016