Academic literature on the topic 'Fatigue thermique – Transfert de chaleur – Modèles mathématiques'

Les lignes d’arbres de transmission navale sont soumises à des chargements cycliques complexes. Afin de caractériser en fatigue ces lignes d’arbres, deux objectifs complémentaires sont achevés. Dans un premier temps, les chargements des lignes d’arbres sont caractérisés afin d’identifier des cycles de fatigue pertinents. Lors de cette étape, une méthode paramétrique originale de dimensionnement en fatigue est mise en place. Cette méthode repose sur une modélisation des chargements avec une prise en compte de leur variabilité, de la contrainte moyenne et de la non-proportionnalité. Cette méthode montre qu’il existe deux modes d’endommagement avec un mode associé au régime cyclique établi de la flexion rotative et un mode associé aux manoeuvres du navire. Dans un second temps, une méthode de caractérisation rapide est mise en place afin d’étudier le comportement des aciers des lignes d’arbres en fatigue pour un grand nombre de configurations de chargements. Un modèle permettant d’identifier le comportement en fatigue à grand nombre de cycles, à partir des mesures d’autoéchauffements, est employé. Les aciers de l’étude sont caractérisés en traction-torsion pour diverses configurations de contraintes moyennes et de non-proportionnalité du chargement. Dans ce cadre, la notion de surface d’iso-auto-échauffement est introduite. Elle permet, pour une éprouvette, de modéliser le comportement élastoplastique et dissipatif du matériau dans l’espace dédié des contraintes. Leur utilisation permet de définir un critère de fatigue multiéchelle basé sur les invariants du tenseur des contraintes. Dans l’étude, une modélisation du comportement du matériau est proposée pour les chargements de très faible amplitude (fatigue à très grand nombre de cycles VHCF) montrant une différence forte de dissipation par rapport au régime d’amplitudes plus importantes (i.e. le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles HCF)
Marine shaft lines undergo complex cyclic loadings. In order to characterize these structures in fatigue, two complementary objectives are achieved. Firstly, the marine shaft’s loads are characterized in order to identify relevant fatigue cycles. During this step, an original parametric fatigue design method is implemented. This method is based on the definition of an equivalent load considering multiaxiality, variability, non-proportionality and mean stress. This method allows to distinguish two damage modes with a mode associated with the established cyclic regime of rotary bending and a mode associated with the ship’s maneuvers. Secondly, a rapid characterization method is implemented to characterize in fatigue the marine shafts’ steels for a large number of loading configurations. The method is based on a model which enables fatigue identification behaviors from self-heating measurements. The steels of the study are characterized in tension-torsion for various configurations of mean stress and nonproportionality of the loading. In this context, the notion of iso-self-heating surfaces is introduced. It allows, for a specimen, to model the elastoplastic and dissipative behavior of the material in the dedicated stress space. Their use makes it possible to define a multiscale fatigue criterion based on the invariants of the stress tensor. In the study, a modeling of the behavior of the material is proposed for very low amplitude loads (VHCF) exhibiting a strong difference in dissipation compared to the regime of higher amplitudes (i.e. HCF domain)

Ce mémoire de recherche porte sur l'étude des transferts de chaleur couplés associant rayonnement, conduction et convection. Les milieux semi-transparents, non gris, portés à haute température sont étudiés. Une description fine de la physique des phénomènes mis en jeux, nous a conduits à développer plusieurs modèles numériques applicables à de tels matériaux. La résolution de l'équation du transfert radiatif (ETR), des équations de Navier-Stokes et du bilan d'énergie est menée grâce à la méthode des volumes finis (MVF). Le recours a une quelconque solution analytique est impossible compte tenu de la complexité des problèmes considérés. Toutefois, l'emploi de méthodes numériques implique le choix d'un certain nombre d'approximations nécessaires à la reformulation du problème réel. Que ce soit pour la résolution de l'ETR ou pour les équations de transport, nous avons testés, développé et comparé plusieurs relations de fermeture. La précision et la stabilité de convergence constituent les critères de choix de ces techniques. Dans le cadre de cette étude des transferts de chaleur couplés, un nouveau schéma de différentiation pour l'ETR et une version modifiée du schéma QUICK pour les équations de transport, s'avèrent être les plus efficaces. Les codes de calculs réalisés lors du travail de thèse ont été employés pour simuler le chauffage de bain de verre en fusion. Un modèle complet décrivant le fonctionnement d'un four float, du chargement de la matière première à l'évacuation du verre affiné, achève le mémoire
Study of coupled heat transfer through radiation, conduction and convection has been carried out and detailed in this PhD memory. Non grey semitransparent media at high temperatures are studied. Acute description of involved physical phenomena leads us to develop several numerical methods for such materials. Radiative heat transfer equation (RTE), Navier-Stokes equations and energy balance are solved with the finite volume method (FVM). Analytical solutions cannot be considered for such problems owing to their complexity. Besides numerical treatment induces necessary approximation in order to rewrite characteristical equations describing the real problem. In the case of RTE modelling a new differencing scheme has been proposed, on the other side Navier-Stokes transport equations are solved with a modified QUICK scheme. Both techniques ensure efficient modelling. The achieved simulation codes have been used for glass melting process description. An enhanced model describes a float glass furnace behaviour, from the material feeding to the refined glass extraction

Dans une logique de valorisation globale des ressources, les boues issues des stations d’épuration urbaines, des activités industrielles et de l’agriculture sont en grande partie traitées via des filières de valorisation. Dans la majorité des cas les processus de valorisation imposent en amont une réduction significative de la quantité d’eau présente dans les boues. Dans les filières de traitement il existe donc généralement une première phase de séchage mécanique avant un séchage thermique qui doit permettre d’atteindre une siccité de 80%. Le niveau de déshydratation étant directement lié à l’énergie apportée aux produits il est nécessaire de développer un procédé de séchage à grande efficacité énergétique. L’objectif de cette thèse concerne le développement et la validation d’un outil numérique complet de dimensionnement d’un séchoir couplé à une pompe à chaleur. La mise en place d’une installation pilote au sein du LIMATB a permis d’établir les cinétiques de séchage de plaques de boue soumises à des apports de chaleur de type convectif et conductif. L’analyse et la comparaison des résultats expérimentaux permettent d’observer l’influence des paramètres opératoires (température, humidité et vitesse de l’air, température de contact) sur le temps de séchage et la déformation du produit. Une modélisation 1D des transferts couplés de chaleur et de masse est validée par diverses expérimentations. La prise en compte d’un coefficient de diffusion effectif, intégrant l’effet des crevasses, s’est avérée pertinente pour accéder aux évolutions des champs de température et de teneur en eau dans le produit. De nouveaux scenarii de séchage avec conditions d’air variable, et retournement du produit sont simulés. Ce modèle “produit” a ensuite été combiné à un modèle global de séchoir-tunnel multizone. Celui-ci intègre la circulation de la boue dans le séchoir et l’évolution des caractéristiques de l’air lors de son passage dans chaque zone. Des simulations permettent la prédiction en régime dynamique du taux de siccité du produit en fonction de conditions thermo-aérauliques fixées. En parallèle, un module de calcul complémentaire a été mise en œuvre pour effectuer le dimensionnement d’une pompe à chaleur
Within an approach of wastes global valorization, sludge generated by municipal, industrial and agricultural wastewater treatment plants is mostly re-used in valorization processes. In most of the cases, these recycling processes first make it necessary to reduce significantly the water content in upstream sludge. Generally, the first step of this type of process is a mechanical dewatering phase followed by a thermal drying phase in order to reach a dry content of 80%. As dehydration is directly linked to the amount of energy brought to the product, it is necessary to develop a high energy efficient drying process. This thesis focuses on developing and validating a complete numerical tool for designing a heat pump assisted sludge dryer. The experimental setup within the LIMATB lead to the establishment of the drying kinetics of sludge plates submitted to convective and conductive heat intakes. Thanks to the analysis and the comparison of experimental data, the impact of operating parameters (air temperature, humidity and velocity, contact temperature) on the drying time and the product deformation can be observed. A coupled heat and mass transfer 1D model is validated by various experiments. The taking into account of an effective diffusion coefficient, which integrates the influence of cracks, has been proven relevant to access to the evolutions of temperature and water content gradients in the product. New drying scenarios with variable air conditions and product flipping have been simulated. Then, this model has then been combined to a global multizone tunnel dryer model. It integrates the circulation of sludge in the dryer and the evolution of air characteristics as it goes through each zone. Simulations permit to predict the dry content as a function of the air conditions in dynamic regime. Meanwhile, an additional computing module has been developed with a view to designing the heat pump system

Nouveau modèle approché permettant de simuler avec une bonne précision le comportement thermique de locaux en régime transitoire dans des conditions d'environnement restrictives. Utilisation de la méthode du formalisme matriciel pour l'analyse du transfert thermique en régime variable dans les parois multicouches à constantes réparties. Le modèle est établi à partir d'hypothèses simplificatrices. On montre que la puissance thermique fourni est à chaque instant réparti, en première approximation, proportionnellement aux modules des admittances thermiques régime sinusoïdal et aux réponses temporelles régime impulsionnel. Étude expérimentale sur un modèle de grand volume 14m(3) montrant le rôle important de l'effusivité des premiers matériaux dans les échanges thermiques intérieurs et dans la consommation d'énergie (régime transitoire) et le rôle important des isolants dans le rayonnement.

Afin de connaître le champ thermique et son évolution au cours du temps dans un ensemble de tunnels ferroviaires longs interconnectés, nous avons établi un modèle prenant en compte l'ensemble des transferts thermiques, ainsi que les principaux termes sources-puits. Nous développons d'abord le mise en équation des phénomènes intervenant en détaillant l'ensemble des sources de chaleur ainsi que la modélisation choisie pour les représenter. Un programme a été construit pour simuler ces échanges. Nous avons choisi la méthode des différences finies pour intégrer numériquement les équations de conservation de l'énergie. Nous avons ensuite comparé les résultats de simulation avec des mesures faites dans le Tunnel sous la Manche. Le modèle choisi permet de simuler les évolutions des températures soit sur du court terme (quelques jours) si les données d'entrée sont précises, ou soit sur du long terme (de plusieurs mois à quelques années) avec la possibilité d'entrer des données moyennées
In order to know the thermal field and its time evolution in inter-connected long railway tunnels, we established a model taken into account all thermal transfers, as well as the principal source-sink terms. We develop initially the equations describing the occurring phenomena by detailing the whole of the heat sources as well as modeling chosen to represent them. A program was built to simulate these exchanges. We chose the method the finite differences to numerically integrate the conservation equations of energy. We have then to compare the simulation results with the measurements made in the Channel tunnel. The model selected makes it possible to simulate the changes of the temperatures on short term (a few days) if data inputs are precise, or on long term (several months at a few years) with the possibility of entering averaging data

Ce mémoire décrit la mise au point et l'utilisation d'un modèle de four de vapocraquage dans le but d'optimiser les conditions de marche industrielle. Le formalisme développé est un modèle de connaissance basé sur les lois de transfert thermique et d'hydrodynamique et sur un schéma cinétique simplifié des réactions de craquage. Il intègre également tous les paramètres liés au cokage des tubes, phénomène subi qui limite la durée des runs et pénalise la sélectivité de l'opération. Le premier chapitre fait le point sur la bibliographie du sujet et les outils actuellement existants. Une première version du modèle avait été mise au point pour un ancien type de four. .
This memo describes the development of a steam-cracking furnace model to optimise furnace operating conditions. The model is a knowledge model using heat transfer laws, pressure drop equation and simplified kinetic reactions scheme. The coking model and its effects on furnace operations are taken into account in model. Coke is the principal constraint which reduces run length and decreases the selectivity of steam cracking operations. The first part of this report describes the literature and the existing tools. It presents also the version developed for Lavera old horizontal gas furnaces cracking. The second part is development, tuning and validation of the model for new vertical furnaces. The kinetic scheme from the previous version has been tuned by little adjustment of the kinetic constants. Heat transfer, pressure drop and coking models are updated with new laws to improve the results of the models and to take into account of the new technology of the furnace. Then, the model has been tuned on a large set of industrial data and validated following a sever procedure before use in simulation. Applications of the model, which are the justification of the work progressed, are described in the third part. The first application is to follow actual runs to check the running conditions of the furnace and to detect as soon as possible any unexpected event. The second application is optimisation of turn operating conditions to improve the benefit of the plant. .

Developpement d'un code de calcul permettant la caracterisation du comportement thermique d'une dalle chauffante simple ou integree a une habitation. Validation du modele par resultats experimentaux releves sur une dalle echantillon puis sur un plancher chauffant

L'agitation mecanique, d'un milieu reactionnel ou non, est souvent accompagnee d'un apport ou d'un prelevement de chaleur. Neanmoins, les travaux qui se sont attaches au transfert thermique en cuve agitee, relevent souvent du domaine de l'empirisme et presentent des disparites assez importantes. Disposant de cet etat de connaissance, ce travail consiste a mettre au point un simulateur numerique tridimensionnel permettant la modelisation des comportements hydrodynamique et thermique en cuve. La resolution de ce double phenomene de transfert est fondee sur une methode de discretisation aux volumes finis. L'etude concerne des fluides de forte consistance, a comportement newtonien, pseudoplastique ou dilatant, et s'applique a de nombreux types d'agitateurs: bipale, multipale, ancre, barriere et racleur. L'etude se situe dans un contexte general de developpement des connaissances locales portant sur la distribution de la temperature au sein d'une cuve agitee. Le code de calcul dont nous disposons permet de fournir une information tres fine, precise et abondante tant sur le champ de vitesse que sur celui des temperatures. Aussi, il permet d'acceder au calcul des performances des differents mobiles etudies sur le transfert global d'echange

Cette étude est consacrée aux modélisations analytique et numérique du phénomène de contact thermique périodique entre deux surfaces solide-solide. En particulier, nous utilisons la notion de quadripôle thermique pour résoudre le transfert conductif dans un contact plan-plan monodimensionnel périodique ainsi que dans le cas d'un macro-contact périodique avec constriction. La modélisation est effectuée par un développement en séries de Fourier des variables périodiques en temps. Cette méthode quadripolaire nous permet d'une part, de prédire le comportement thermique du contact de l'interface périodique dans des conditions quelconques et d'autre part, d'analyser l'influence de divers paramètres sur la résistance apparente dans un domaine étendu de fréquence. Les résultats sont alors compares avec ceux des autres modèles, analytiques ou numériques. L’étude bidimensionnelle montre que le modèle monodimensionnel reste valable pour les périodes longues, mais qu'il est nécessaire d'introduire la notion de temps d'établissement de la constriction thermique pour expliquer le comportement du contact pour les périodes courtes et moyennes. Nous étudions analytiquement l'établissement de la constriction dans un cas simple et son influence sur le transfert de chaleur dans le macro-contact. Des représentations simplifiées de la résistance apparente sont données pour les trois cas limites (courtes, moyennes et longues périodes). Une expérimentation monodimensionnelle est mise en place. Les résultats sont compares aux solutions des modèles précédents.

L'objet de cette étude est de déterminer la diffusivité phonique de milieux semi-transparents. La première partie concerne la mise en place de modèles semi-analytiques permettant de prédire le transfert de chaleur transitoire couplé conduction-rayonnement dans un milieu semi-transparent absorbant, émettant et éventuellement diffusant de façon anisotrope le rayonnement. Un large éventail de fonctions de phase (linéaire anisotrope; de Rayleigh, du second ordre, pics intenses), de conditions aux limites (Dirac de flux, échelons de température) et de parois (noires ou en or) est considéré. La seconde partie teste la pertinence des modèles couplés pour l'inversion dans le cas de la méthode flash afin de déterminer quels paramètres thermophysiques et radiatifs peuvent être identifiés. Une étude stochastique basée sur des cartographies des maxima de sensibilité, des coefficients de corrélation et des écarts-types relatifs aux différents paramètres est complétée par des considérations expérimentales. . Les biais causés par une erreur sur l'émissivité des parois, le caractère non gris et une éventuelle anisotropie de la diffusion ont été considérés les résultats sont confrontés à ceux obtenus avec la méthode "classique" des parois en or. La troisième partie présente des résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de la méthode flash pour différents échantillons semi-transparents l verre flotté, pastilles de silice et de séléniure de zinc. Les mesures ont été effectuées par voie optique (détecteur infrarouge HgCdTe) pour une large plage de température variant de l'ambiante à 700K, pour différents types de parois (noires et en or) et pour différentes épaisseurs. Cette étude constitue une avancée dans l'estimation de la diffusivité phonique de matériaux semitransparents. Elle fournit une méthodologie complète et rigoureuse de la mesure de diffusivité et remplace avantageusement la méthode des parois en or (moins coûteuse, plus rapide, plus précise).