Compréhension des transferts de chaleur et de masse dans les matériaux cellulaires
Impact de la structure sur les propriétés themo-physiques et d'écoulement

Le but de ce travail est de définir un matériau optimal possédant un jeu de propriétés de transport choisi. Les meilleurs candidats sont les matériaux cellulaires ouverts à forte porosité (mousse) pour lesquels il est possible de faire varier à volonté les propriétés de transport en agissant sur leurs paramètres morphologiques.

Axes de recherche

Développement d'outils de caractérisation morphologiques de matériaux cellulaires
Simulation des transferts de chaleur et de masse : développement de modeles macroscopiques et à l'echelle du pore
Développement de bancs expérimentaux pour mesurer les propriétés thermo-physiques et d'écoulements dans ces milieux.

Le couplage de ces différentes approches nous permet de dégager les critères géométriques caractéristiques des transferts et leurs conséquences sur les propriétés de transport.

Sur la base de l'extraction de la topologie réélle nous étudions l'influence des paramètres de texture (taille et forme des brins, des pores, effets d'échelles...) sur les phénomènes de transferts. Les lois de variations paramétriques sont ainsi dégagées sur la base de la simulation directe des phénomènes de transport complétant nos expériences de référence. Le couplage de ces différentes approches nous permet de dégager les critères géométriques caractéristiques des transferts et leurs conséquences sur les propriétés de transport.


Reconstruction 3d d'une mousse d'aluminium	Champ de température dans le fluide	Champ de température dans la matrice solide (M. Clifton LGC)

Communications

Publications récentes

J.M. Hugo, E. Brun, F. Topin, J. Vicente « Conjugate Heat and mass Transfer in Metal Foams: A Numerical Study for Heat Exchangers design », Defect and Diffu-sion Forum, 2010, Vols. 297-301 p. 960-965
J.P. Bonnet, F. Topin, J. Vicente and L. Tadrist, “Hydrodynamics of gas–liquid co-current flow in metal foam.”. Journal of Porous media, 2010, Vol 13. N°6, p. 497-510
B. Madani, F. Topin, L. Tadrist « Experimental Analysis of convective boling in a SCPS metallic foam » ;Fluid Dynamics & Materials Processing" Journal, Sous presse 2010
E. Brun, J. Vicente, F. Topin, R. Occelli, M. Clifton « Microstructure and transport properties of cellular materials: representative volume element », Advanced Ma-terial Engineering, 2009, Vol. 11, N°10, p. 805-810
Ghidossi R., J-P Bonnet, G. Rebollar-Pereza, J.H. Ferrasse, E. Carretier, J. Vicente, F. Topin and P. Moulin, « Particle separation from hot gases using metallic foam ». Journal of Materials Processing Technology, 2009, Vol 209, N°8,p. 3859-3868
J.P. Bonnet, F. Topin, and L. Tadrist, “Flow laws in metal foams: Compressibility and pore size effects”. Transport in Porous Media, 2008, Vol 73, N°2, p. 233-254

Conférences

J.M. Hugo, F. Topin, L. Tadrist, E. Brun « From pore scale numerical simulation of conjugate heat transfer in cellular material to effectives transport properties of real structures. » IHTC’14,Washington DC, USA, Aout. 2010
J.M. Hugo, F. Topin « Numerical simulation of flow laws in idealized foam geometry: Impact of morphological parameters..» DSL’10, Juillet. 2010, Paris
Y. Jobic, F. Topin, R. Occelli « Microstructure and transport properties of cellular materials : a Lattice Boltzmann approach..» DSL’10, Juillet. 2010, Paris
F. Topin « Ebullition et transferts en milieux poreux » Cam’2009, Congrès Algérien de Mécanique, Biskra, Algérie, 16-19 Nov 2009
F. Topin « Transferts dans les mousses métalliques :morphologie et couplages » Cam’2009, Congrès Algérien de Mécanique, Biskra, Algérie, 16-19 Nov 2009
E. Brun, J.Vicente, F. Topin, R. Occelli « iMorph: an open source software for 3D structural and geometrical analysis of porous material » Metfoam’09, Bratislava, Slovenie, Sept. 2009
J.M. Hugo, E. Brun, F. Topin, J. Vicente, «Wall heat transfer coefficient measurement in a metal foam channel crossed by a gravity driven fluid flow.», Metfoam’09, Bratislava, Slovenie, Sept. 2009
J.M. Hugo, E. Brun, F. Topin, J. Vicente « Conjugate Heat and mass Transfer in Metal Foams: A Numerical Study for Heat Exchangers design », DSL2009, Rome, Italie, Juin 2009
J.M. Hugo, F. Topin, L. Guerbé, T. Etchebarnes « Transfert de chaleur dans un canal poreux parcouru par un écoulement gravitaire d’huile : Mesure du coefficient d’échange pariétal», SFT’09, Vannes, Mai 2009
E Brun, J. Vicente, F. Topin, R. Occelli « IMorph : A 3D morphological tool to fully analyse all kind of cellular materials », Cellmet’08, Dresden, Allemagne, 0ct 2008
B. Madani, F. Topin, L. Tadrist « Experimental Analysis of convective boling in a SCPS metallic foam », ICAMEM’08, Sousse, Tunisie Dec. 2008
E Brun, J. Vicente, F. Topin, R. Occelli, M. Clifton «Microstructure and transport properties of cellular materials : representative elementary volume measurements », DSL 2008, Barcelona, Spain, July 2008
E. Brun, F.Rigollet , J.Vicente, F. Topin, R.Occelli « An efficient ray tracing algorithm to compute radiative properties of a porous media on real geometry: comparisons with experimental procedure », DSL 2008, Barcelona, Spain, July 2008
J.P. Bonnet, F. Topin, L. Tadrist « Approche expérimentale des écoulements liquide-gaz à co-courant dans les mousses métalliques», Congrès de la SFT, SFT 08, Toulouse, Mai 2008

Publications du groupe sur la thématique

Projets

ANR FOAM (2011 -2015) PROGRAMME MATETPRO 2010
Modélisation et Fabrication de Mousses Métalliques pour Applications Multifonctionnelles

CTIF, Sèvres, (Coordinateur), TNI –AREVA , Mersen, Hutchinson, Mota, ECP (LGPM et EM2C), ARMINES (Centre des Matériaux), INSA MATEIS, IUSTI

Les mousses métalliques (aluminium, cuivre, acier) à pores ouverts offrent un potentiel d’applications multifonctionnelles (allègement, tenue au crash, échange thermique, amortissement des vibrations, …) dans de nombreux secteurs industriel (énergie, transport, …). La réalisation de ces matériaux cellulaires par un procédé de fonderie, peu onéreux, permettrait leur diffusion à grande échelle. Leur développement actuel est limité par de nombreux verrous scientifiques et techniques: méconnaissance des relations entre micro-géométrie et propriétés macroscopiques fonctionnelles, comportement non Beerien de certaines mousses de fonderie (directions de rayonnement privilégiées), complexité de la modélisation du procédé de fabrication (écoulement transitoire dans un milieu à 4 phases), passage complexe d’une description des phénomènes physiques du processus d’infiltration à l’échelle du pore à celle de la pièce, absence de règles métiers fonderie pour garantir la santé métallurgique des pièces en mousse. Le projet FOAM a pour objectif d’apporter un cadre structurant autour de la technologie des mousses par fonderie afin d’améliorer leur connaissance, de développer des modèles et outils de calcul dédiés ainsi que de valider les gains technico-économiques sur démonstrateurs. Les partenaires du consortium sont des universitaires ECP, ARMINES, l’INSA de Lyon, l’IUSTI (Polytech Marseille), des industriels ; TN International, HUTCHINSON, Carbone Lorraine Applications Electriques (CLAE), MOTA, une start-up Solaire2G (Sol2G) et le Centre Technique des Industries de la Fonderie (CTIF) qui est coordinateur du projet FOAM. Les deux principaux domaines d’applications visés sont l’échange thermique et l’absorption d’énergie en crash pour le transport terrestre (HUT) et maritime (MOTA), les énergies renouvelables comme le solaire photovoltaïque (Sol2G), l’éolien (CLAE) ou encore le nucléaire (TNI). Le projet FOAM sera conduit selon une triple approche; scientifique (modélisation et caractérisations fines), technique (développement d’outils métiers) et préindustrielle (réalisation et caractérisation fonctionnelle de démonstrateurs). Plusieurs modèles seront développés pour simuler et comprendre le comportement micromécanique en compression et crash en transfert thermique (méthode de Lattice-Boltzmann) et en comportement radiatif . Ces modèles s’appuieront sur des topologies de mousses reconstruites en 3D (iMorph) à partir de tomographies. Pour valider ces modèles, des échantillons de mousse seront réalisés par fonderie ou par prototypage rapide puis caractérisés (thermique, crash, …) Un travail fondamental sera réalisé pour déterminer « ab initio » les morphologies de structures cellulaires les plus performantes dans chacune des applications. Afin de réaliser industriellement ces structures, les impératifs de fabrication par fonderie seront pris en compte. Cette connaissance permettra de réaliser un saut technologique pour proposer des matériaux « à la carte » et économiquement accessibles. Des règles métiers fonderie seront développées pour pré-dimensionnement les systèmes de remplissage et d’alimentation (masselotte). En parallèle, un modèle mathématique (ECP) sera développé afin de modéliser le procédé de fabrication basé sur l’infiltration d’une préforme (noyaux poreux) par du métal liquide. Ce modèle permettra de dimensionner finement les systèmes de remplissage et d’alimentation. Un outil de dimensionnement fonctionnel (IUSTI) sera développé sous forme d’une boîte à outils. Il permettra de prévoir les performances d’une mousse en fonction de ses paramètres morphologiques, de déterminer en fonction d’un cahier des charges la morphologie la mieux adaptée. Enfin, des démonstrateurs seront dimensionnés, réalisés (CTIF) et testés fonctionnellement (HUT, CLAE, TNI, MOTA, Sol2G). A l’issue de ces tests, un outil de chiffrage du coût fonderie et une estimation du marché industriel potentiel seront établis.

PR SPECIMOUSSE (2004-2007): Interdisciplinary Energy Program

IUSTI (coordinateur du projet), Laboratoire d'Energétique (Toulouse), CEA-GreThe (Grenoble), Laboratoire de génie chimique (Toulouse)

Ce projet est centré sur la maîtrise des transferts thermiques et massiques dans les éléments fonctionnels d'une pile à combustible (reformeurs, les purificateurs, échangeurs thermiques, etc.). L'utilisation de matériaux cellulaires ouverts à forte porosité, optimisés pour chacune des fonctions, permettra la réalisation de systèmes compacts, multifonctionnels et directement intégrables.

This project is concerned with management of heat and mass transfer in functional units of a fuel cell system (reformer, fuel purifier, heat exchanger...). Use of open-celled, high-porosity materials optimized for each of these functions will allow compact multifunctional and integrated systems to be created.

PR CATAMOUSSE (2004-2006) : Programme Matériaux - Hierarchically structured multifunctional materials

Laboratoire de réactivité des surfaces (Paris), Institut de recherche sur la catalyse (Lyon), IUSTI

Ce projet vise à développer de nouveaux catalyseurs à base de nanoparticules d'or, dispersés sur des supports métalliques structurés, pour la purification de l'hydrogène, en optimisant la gestion de la chaleur et des écoulements pour supprimer les réactions parasites. Il s'agit d'optimiser l'organisation topologique et structurale de ces matériaux aux différentes échelles - millimétrique (écoulements, transferts), micrométrique (thermique, échanges), nanométrique (catalyse) - pour leur l'intégration multifonctionnelle dans le design industriel d'un système pile à combustible (PEM). Nous développerons les connaissances et les outils permettant de fabriquer des mousses réactives en fonction des propriétés thermophysiques, de transport et de catalyse, optimales pour cette application de catalyse en réacteur continu, pour laquelle les flux de réactifs et de chaleur, les gradients thermiques et de composition ainsi que le compartimentage des réactions sont essentiels.

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