Le présent travail est réalisé dans le cadre de l’étude d’un procédé industriel de densification de matériaux composites carbone/carbone (C/C) destinés aux freins d’avion. Une préforme poreuse de fibres de carbone baigne dans un précurseur liquide et elle est chauffée par induction électromagnétique radio-fréquence. Le précurseur porté à ébullition dans l’espace poral crée un dépôt de carbone dans les zones les plus chaudes ; ce dépôt constitue la matrice du composite. On propose une modélisation physico-chimique de ce procédé afin d’en assurer le contrôle et l’optimisation. Le travail a consisté à développer un solveur couplant l’induction électromagnétique avec les transferts de masse, de chaleur, de mouvement et d’espèces chimiques, en incluant l’ébullition et le dépôt chimique. Le modèle inclut le circuit électrique complet permettant d’effectuer le chauffage : il permet donc de suivre en temps réel et de façon non destructive l’avancement de la densification par l’évolution des grandeurs électriques. Une formulation originale adaptée à la représentation simultanée du liquide, du gaz et de la zone en ébullition a été développée et implémentée avec succès dans un logiciel commercial d’éléments finis. Les résultats de la simulation sont comparés avec les données obtenues sur le moyen expérimental, avec un bon accord. Enfin, la simulation est utilisée pour proposer des pistes d’amélioration du procédé, en altérant la géométrie du dispositif de chauffage par induction et en modifiant la stratégie de pilotage en puissance. / This work has been carried out in the frame of the study of an industrial process for the manufacturing of carbon/carbon (C/C) composite aircraft brake discs. A porous preform made of carbon fibres is immersed in a liquid precursor and is heated by Radio-Frequency electromagnetic induction. The boiling precursor enters the porous preform and yields a carbon deposit in the hottest zones; this deposit will be the carbon matrix of the composite. A physico-chemical process model is proposed in the aim of ensuring its control and optimisation. The work consisted in developing a numerical solver coupling electromagnetic induction heating with heat, mass and species balances accounting for boiling, diffusion and chemical deposition reactions. The model includes the complete electrical circuit of the heating device: it therefore allows real-time, non-destructive monitoring of the infiltration progress through the evolution of the electrical properties. An original formulation has been designed to simultaneously describe the liquid, the gas and the boiling zone; it has been implemented in a commercial Finite Element software package and validated physically with respect to experimental data, with a good agreement. Finally, the simulation software has been used to propose directions for process improvements, through alterations of the inductive heating device geometry or of the heating power supply program.

La trempe à eau par jet impactant est une étape clé des traitements thermiques subis par les tubes d'acier sans soudure. Elle permet, par le contrôle des évolutions microstructurales de l'acier, de conférer des propriétés mécaniques élevées, requises par l'utilisation des tubes dans des environnements de plus en plus extrêmes (nouvelles générations de centrales électriques, forages très profonds,…). En cours de trempe, des phénomènes complexes se produisent à la fois en surface des tubes et au sein du matériau. Les mécanismes au sein du tube (diffusion thermique – transformations de phases – contraintes - déformations) sont en effet étroitement liés aux phénomènes hydrauliques et thermiques survenant en surface de celui-ci. L'ensemble de ces phénomènes et leur couplage requièrent une parfaite compréhension et maîtrise pour anticiper l'apparition de certains défauts de trempe comme le cintrage des tubes ou les tapures et optimiser le traitement thermique. Nous avons donc mis en place au cours de ce travail de thèse, une démarche en deux temps. Dans un premier temps, à l'aide de deux dispositifs originaux de refroidissement, par un jet d'eau plan impactant, d'un cylindre tournant en Ni201 préchauffé à 600°C, nous avons étudié les effets de plusieurs paramètres opératoires sur les transferts thermiques: sous-refroidissement, vitesse du jet, vitesse de déplacement de la paroi, orientation et angle d'impact du jet. A l'issue de cette campagne, de nouvelles corrélations prédisant la densité de flux maximale échangée en paroi, qui prennent en compte la mobilité de la paroi, ont été proposées. En parallèle de ces expérimentations, nous avons entrepris la simulation numérique de la configuration expérimentale en utilisant le code de mécanique des fluides Fluent. Cependant la difficulté rencontrée pour simuler, à partir des modèles d'ébullition disponibles par défaut dans le code, l'ensemble des régimes de transfert thermique –et leur occurrence, n'a pas pu être surmontée. Dans un second temps, nous avons construit, au sein du centre de recherche de Vallourec, un dispositif expérimental de refroidissement hétérogène d'un tube en acier 42CrMo4 par un jet d'eau plan impactant la génératrice supérieure. La température du tube (en plusieurs points) et le déplacement vertical en son milieu étaient mesurés lors des essais. De plus, des visualisations à l'aide d'une caméra rapide ont permis de suivre le front de remouillage en tout début de trempe. En parallèle, nous avons réalisé des simulations de ces expériences pour calculer les évolutions de température, les cinétiques de transformations de phases et les évolutions des contraintes et des déformations au sein du tube d'acier. Pour cela nous avons utilisé le code de calcul par éléments finis, Sysweld, auquel est intégré le modèle de prédiction des cinétiques de transformations de phases, PhaseRC. Un jeu de paramètres thermophysiques, thermométallurgiques et thermomécaniques a été établi en se basant sur des travaux antérieurs et sur des caractérisations expérimentales menées au laboratoire.. L'analyse des résultats des simulations a permis de comprendre l'évolution de la flèche du tube en fonction des gradients de température et de la progression des transformations de phases au cours du refroidissement. La comparaison calcul - expérience a mis en évidence des écarts que nous avons tenté d'expliquer. Nous avons proposé des pistes pour poursuivre le travail entrepris au cours de cette thèse / Jet impingement quenching is one of the key steps among the heat treatments undergone by seamless steel tubes. By controlling the steel microstructural evolutions, the heat treatment leads to specific mechanical properties which are required by the use of the tubes in extreme environment (new generation of power plants, deep drilling,…) During the quenching, complex phenomena occur both at the pipe surface and within the material. The latter (thermal diffusion – phase transformations – stress – strain) are indeed closely related to the hydraulic and thermal mechanisms occuring on the surface. All these phenomena and their interconnection must be perfectly understood and controlled to prevent the appearance of quenching defects such as tube bending and quench cracks and to get the desired metallurgical phases. To achieve this goal we have adopted a two-stage approach. Firstly, using two innovative cooling experimental devices, including a rotating Ni201 cylinder preheated up to 600°C, we have studied the effect of several operating parameters on thermal transfer: subcooling, jet velocity, velocity of the displacement of the cooled surface, direction and impact angle of the jet. Following these sets of experiments, new correlations predicting the maximum of wall heat flux density have been proposed. These correlations take into account the wall motion. Besides this experimental work, we have undertaken numerical simulations of the experimental configuration using the CFD software Fluent. However, simulating all the thermal transfer regimes, particularly the boiling regime and their transitions is still challenging when using the default encoded boiling models; we were unable to successfully complete this work. In a second step, we have built an experimental device allowing heterogeneous quenching of a 42CrMo4 steel tube by an impinging water jet. During the quenching, the tube temperature at different locations and vertical displacement evolutions were recorded. In addition, data obtained from high-speed camera recordings allowed us to monitor the evolution of the rewetting front at the onset of cooling. Numerical simulations of these experiments were conducted in order to compute the time evolutions of temperature, phase transformations, stress and strain throughout the steel tube. To this end we used the finite element calculation software Sysweld, which includes a predictive model for the kinetics of phase transformations called PhaseRC. Using bibliographic data and some laboratory experimental characterizations, we were able to build a set of thermo-physical, metallurgical and thermo-mechanical data needful for these calculations. The simulation results have allowed to understand well the bending evolution of the tube during cooling, considering the thermal gradients and the progress of the phase transformation. Comparison of the simulation results with those obtained from measurements has shown discrepancies that we have tried to explain. Some suggestions have been given for the progress of the work accomplished during this thesis

Les procédés de trempe sont largement répandus dans l'industrie en particulier dans le domaine de l'automobile, du nucléaire et de l'aérospatiale car ils ont un impact direct sur la microstructure, les propriétés mécaniques et les contraintes résiduelles de pièces critiques. La trempe est un processus fortement non-linéaire à cause des couplages forts entre la mécanique des fluides, les transferts thermiques aux différentes interfaces, les transformations de phase du solide et l'ébullition du milieu de trempe. Malgré les progrès effectués par la simulation numérique, ce procédé reste extrêmement difficile à modéliser.Dans ce travail, nous proposons le développement d'outils numériques permettant la simulation réaliste de ce procédé à l'échelle industrielle. La mécanique des fluides est simulée en utilisant une méthode d'Elements Finis stabilisés permettant de considérer des écoulements à haut nombre de Reynolds. Les transferts thermiques sont calculés directement sans l'utilisation de coefficients de transferts empiriques, en utilisant le couplage fort entre le fluide et le solide. Nous avons développé un modèle de changement de phase pour l'eau permettant de considérer les différents régimes d'ébullition. Une formulation unifiée des équations de Navier-Stokes, considérant une phase compressible et une phase incompressible a été développée afin de prendre en compte plus précisément la dynamique de la vapeur et de l'eau. Une procédure dynamique d'adaptation anisotrope de maillage, permettant une description plus fine des interfaces et une prise en compte plus précise des caractéristiques des écoulements est utilisée.Des exemples numériques exigeants ainsi qu'une validation expérimentale permettent d'évaluer la précision et la robustesse des outils proposés.Les outils développés permettent ainsi l'optimisation du mode opératoire du procédé, des ressources consommées et servent ainsi d'outils prospectifs pour la conception de produits. / Quenching processes of metals are widely adopted procedures in the industry, in particular automotive, nuclear and aerospace industries, since they have direct impacts on changing mechanical properties, controlling microstructure and releasing residual stresses of critical parts. Quenching is a highly nonlinear process because of the strong coupling between the fluid mechanics, heat transfer at the interface solid-fluid, phase transformation in the metal and boiling. In spite of the maturity and the popularity of numerical formulations, several involved mechanisms are still not well resolved.Therefore we propose a Direct Numerical Simulation of quenching processes at the industrial scale dealing with these phenomena. The fluid mechanics is simulated using a Finite Element Method adapted for high convective flows allowing the use of high stirring velocity in the quenching bath. Heat transfers are computed directly without the use of heat transfer coefficients but using the strong coupling between the fluid and the solid. We use a phase change model for the water that models all boiling regimes. A unified formulation of the Navier-Stokes equations, taking into account a compressible gas and an incompressible liquid is developed to model more accurately the vapor-water dynamics. A dynamic mesh adaptation procedure is used, increasing the resolution in the description of the interfaces and capturing more accurately the features of the flows.We assess the behavior and the accuracy of the proposed formulation in the simulation of time-dependent challenging numerical examples and experimental results.These recent developments enable the optimization of the process in terms of operating conditions, resources consumed and products conception.

This thesis deals with the problem of critical heat flux (CHF) on technically smooth and treated surfaces at low pressures. The theoretical part presents the basic concepts of two-phase flow and an analysis of existing work on the influence of the surface on CHF. The main part of the work describes the built experimental apparatus for CHF research at low pressures of 100 -1500 kPa (1-15 bar) with a vertical internally heated annular test section. The internal annuli consists of an outer glass tube with an inner diameter of 14.8 mm and an inner tube made of Inconel ™ 625 / Optimized ZIRLO ™ with an outer diameter of 9.14 mm and a heated length of 380/365 mm. CHF experiments on technically smooth surface were performed at outlet pressures 120 kPa, 200 kPa and 300 kPa, at an inlet temperature of 64, 78 and 91 °C and at mass flux of 400, 500, 600 and 800 kg / m2s. The Inconel tubes were tested in two different surface modifications - abraded and bead blasted. Experiments were performed at mass flows of 400, 500 and 600 kg / m2s. The total number of 122 experimental runs were conducted and the results were compared with other literature experimental data. The maximum increase of CHF on abraded / bead blasted tube was 18.12% / 16.17%. The surface structure was analysed by laser microscopy. The wetting behaviour of the surface structures was measured by the sessile drop method. The elemental analysis of the surface was evaluated using the EDS method.

This thesis is concerned with the design of a heat pump that does not use a ventilator during operation. In the introductory chapter, the functioning and the basic components of this device and other types of heat pumps are described. Properties of some commonly used refrigerants and oils as well as their classifications are stated. Due to the absence of a ventilator, a special heat exchanger was designed to achieve the required heat power. The choice of components in this refrigeration system takes into consideration the efficiency and functionality of the device.

This graduation thesis is concerned with a thermal exchange unit issue whereof one working substance complies with a two-phase mode of a flow. This unit is made for the steam generation. The thesis is supposed to solve operation problems causes of the given unit and to make a proposal of an appropriate solution that is supported by performed calculations. Part of the the work is strength calculation. This work also introduces the thermal-hydraulic processes issue of the steam generation equipment. There are also performed thermal-hydraulic control calculations in consideration of newly set-up operation parameters of the given equipment‘s working substances.

Examensarbetet behandlar problematik som uppstår vid härdsmältningsförlopp i en kärnkraftsreaktor av typen kokvattensreaktor. Resultatet ska användas som riktlinjer till strategier som utvecklas av Severe Accident Management Guidelines (SAMG) där arbetets uppdrag är ett delmoment i framtagning av strategier för att bemästra de olika fenomen som uppstår vid härdsmälta.   Syftet med arbetet är att undersöka begränsningar för att bevara reaktortanken intakt vid haveri, genom att undersöka den minsta mängd vatten som behövs för att undvika tankgenomsmältning. Undersöka fallen som leder till härdsmälta och gruppera dem efter händelsesekvenser. Undersöka metall/vatten-reaktionen som uppstår då härden blir över 800°C och undersök om fallen kan grupperas i händelsesekvenser.  Metoder som används i arbetet är PSA-dokumentation, händelseutvecklingsträd, teoretiska beräkningar och MAAPv5.03. Resultatet beskriver att grupperingar av fallen som slutar i härdsmälta och grupperingar av metall/vatten-reaktionen hos de olika fallen kan genomföras. Resultatet beskriver även ett minsta flöde som kan föras in i reaktortanken för att hindra tankgenomsmältning och flöden upp till 100 kg/s så det finns resultat för olika flöden beroende på vilka kylmedel som är tillgängliga.  Slutsatsen av arbetet är att fall kan grupperas efter händelsesekvenser och påverkan hos metall/vattenreaktion, grupperingarna sparar tid vid ett haveriförlopp. I varje grupp kunde det svåraste fallet beräknas för minsta flöde för att klara tankgenomsmältning och flöden upp till 100 kg/s.  Framtida arbeten bör undersöka trycket och vätgasen som skapas vid vatteninmatning samt dess påverkan på reaktorinneslutningen. / The master thesis deals with problems that arise during nuclear meltdown in a nuclear powerplant of the type boiling water reactor. The work will be used as guidelines for strategies developed by Severe Accident Management Guidelines (SAMG), this master thesis is a sub-element in the development of strategies for mastering the various phenomena that arise during a meltdown.  The purpose of the work is to investigate limitations for maintaining the reactor tank intact during the meltdown by, examining the minimum amount of water needed to avoid the meltdown getting through the reactor tank. Examining the cases that lead to meltdown and group them according to the event sequences. Examine the metal/water-reaction that occurs when the core becomes over 800°C and examine if the cases can be grouped into event sequences.  Methods used in the master thesis is PSA-analysis, event development threes, theoretical calculations and MAAPv5.03.  The result describes the groupings of the cases ending in meltdown and the groupings of the metal/water-reaction of the various cases. The result also describes a minimum flow that is required to prevent meltdown of getting through the reactor tank and flow up to a 100 kg/s.  The conclusion of the master thesis is that cases can be grouped according to event sequences and the influence of the metal/water-reaction, the groupings save time in the event of a breakdown. In each group the most difficult case was calculated so that the lowest flow to prevent the meltdown from getting through the reactor tank was presented among with different flows up to 100 kg/s. Future work should investigate the pressure and hydrogen gas created by the water input and its influence on the reactor inclusion.

Nous avons étudié des méthodes de volumes finis pour la simulation numérique d'un flux impliquant deux phases incompressibles ou deux phases générales compressibles en déséquilibre mécanique. Les principales difficultés du régime où il y a une apparition de phase ou une disparition de phase est la singularité de la vitesse. Nous montrons que l'utilisation du l'entropie correction améliorer beaucoup ces problèmes. Enfin, nous simulons certains tests numériques importants pour vérifier les méthodes numériques, telles que la séparation de phase par gravité ou un canal bouillant. / We investigated some finite volume methods for the numerical simulation of a flow involving two incompressible phases or general two compressible phases in mechanical disequilibrium. The main difficulties of the regime where there is either a phase appearance or a phase disappearance is the singularity of the velocity. We show that using the entropy fix will much improve these problems. Finally, we perfom some important numerical tests to verify the numerical methods, such as a phase separation by gravity or a boiling channel.

Thesis (Sc.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Nuclear Engineering, 1982. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND SCIENCE. / Includes bibliographical references. / by Ronald George Ballinger. / Sc.D.

In the case of soil structures and/or subsoil of the water structures, filtration deformation can occur due to the effects of water seepage. One of the possible phenomena that can occur in water structures due to filtration deformation is external suffusion / heave, which ocure on the air side of the structure in the case of ascending external seepage, where soil particles are gradually subject to ascending seepage forces. The possibility of heave can be assessed using the method of partial factors, for which individual partial factors are needed, which are not specified in more detail in the literature. The aim of this work is to determine the partial reliability factor for failure due to heave based on the evaluation of laboratory experiments on uniform grain materials with non-uniformity number CU