Transcript Calcul de propriétés thermoradiatives de milieux poreux

Calcul de propriétés thermoradiatives de
milieux poreux
Julien Yves Rolland*, Aurélien Canizares, Benoit Rousseau
CEMHTI UPR CNRS 3079
1D avenue de la Recherche Scientifique, 45071 Orléans cedex 02
* [email protected]
Jérôme Vicente
IUSTI UMR CNRS 6595 - Polytech’ Marseille
5 rue Enrico Fermi, 13453 Marseille cedex 13, France
Journées d'Etude en Rayonnement Thermique
25-26 mars 2010
Ecole des Mines d'Albi-Carmaux
CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans
P. 1
Plan de l’exposé
• Cadre des travaux
• Stratégie de caractérisation numérique
appliquée à une mousse d’aluminium
• Premiers résultats obtenus
• Synthèse, conclusion et perspective
CEMHTI - UPR3079 CNRS – Orléans
P. 2
Plan de l’exposé
• Cadre des travaux
• Stratégie de caractérisation numérique
appliquée à d’une mousse d’aluminium
• Premiers résultats obtenus
• Synthèse, conclusion et perspective
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Cadre des travaux
Etude des propriétés radiatives de matériaux poreux
Cathode (Fuel cell)
Corps noirs
IR heater
20 µm
Rousseau et al., Appl. Phys. Lett., 79 (2001), 3633.
Chambre de
combustion
Projection
plasma
200 µm
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Dynamique multi-discipline
MATERIAUX
ELABORATION
Matériaux hétérogènes
micro & nano poreux
Verres-Céramiques-Mousses
Expérience numérique
Caractérisation expérimentale
Spectroscopie d’émission infrarouge
300-3000 K, 0.8-1000 µm
Validation
Reconstruction 3D - Microstructure
Monte Carlo – Transport de photons
Grandeurs Thermoradiatives
Directes : E,R,T
Equivalentes:  ,, P, µ
CODE DE CALCUL
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ENERGIE
P. 5
Méthode expérimentale
[email protected]
Transmission
x
Bruker Vertex 80v Enceinte porte
(FT-IR)
échantillon
y
Bruker Vertex 70
(FT-IR)
L. del Campo
Réflexion
A. Canizares
Refl. spectrale Norm. Hémi.
Trans. spectrale Norm. Hémi.
[2-25 µm]
300K
Laser CO2
P. Melin
Emittance spectrale directionnelle (): 500K – 3000K
 →[ 0.6 – 1000 µm]
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Modélisation des propriétés radiatives
Méthode expérimentale
300 K
400 à 5 500 cm-1
Transmission
x
y
Réflexion
Méthode numérique



E , ,T   1  R , ,T   T  , ,T 
Flexibilité :
• en température
• en nombre d’onde
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Plan de l’exposé
• Cadre des travaux
• Stratégie de caractérisation numérique
appliquée à d’une mousse d’aluminium
• Premiers résultats obtenus
• Synthèse, conclusion et perspective
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Stratégie de simulation numérique
Caractérisation
Caractérisation chimique
(composition chimique, concentration en impuretés)
Caractérisation texturale
(porosité, surface spécifique, distribution des tailles de pores…)
 Choix de lois physiques de propagation (optique géométrique, diffusion Mie, …) et
des paramètres de propagation (indices optiques)
Numérisation
Acquisition de la texture (µ-tomographie)
Reconstruction d’un échantillon numérique
Simulation
Algorithme de lancer de rayon
Exploitation des résultats pour calcul de propriétés thermoradiatives
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Mousse d’aluminium ERG Al 20
Elaboration : Mousse de réplication à brin plein d’aluminium
5 cm
Texture poreuse à échelle multiple d’hétérogénéités :
• Macro porosité 400 µm
• Méso porosité 1-20 µm
20 µm
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Caractérisation chimique
Al
10000
Brins aluminium sans impuretés
Spectre EDX (spectroscopie
de dispersion électronique)
8000
Al, T = 300 K
4000
400
0
50
350
2000
40
300
0
1
2
3
4
E (keV)
5
6
7
8
n
k
30
250
n,k
Counts
6000
20
200
10
150
0
2000
100
4000
6000
8000 10000
50
0
2000
4000
6000
8000 10000
-1
Nombre d'onde (cm )
Aleksandar D. Rakić. Algorithm for the determination of intrinsic optical
constants of metal films: application to aluminum, Appl. Opt. 34, 4755-4767
(1995)
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Analyse morphologique
Utilisation du logiciel iMorph (Jérôme Vicente & Emmanuel Brun – IUSTI Polytech’Marseille)
Classification locale de
forme
Tortuosité
Extraction de cellule
ellipsoïdes équivalentes
Données obtenues par µ-Tomographie X (ESRF ID 19) :
• Dimensions 40 × 40 × 15 mm
• Résolution de 88, 41 µm
• Mousse 442 × 442 × 171 Voxels
• 171 images
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Echantillon numérique
Segmentation des interfaces solides/liquides sur les données de µ-tomographie
Utilisation d’un algorithme de Marching Cube pour obtenir des interfaces 3D
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Règle de transport
Distribution de tailles de pore obtenue par analyse texturale (XMie >>1)
Optique géométrique
Interface = réseau de triangles optiquement polis (Marching cube)
Réflexion spéculaire fonction de l’angle d’incidence
Test d’une réflexion lambertienne (pores < résolution tomographie)
Composition chimique obtenue par spectre EDX + Imagerie MEB
[ Epaisseur moyenne d’un brin (d)  coefficient d’absorption (K) ] >> 1
=> Brins opaques
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Simulation numérique dans un VER
Génération de N 105 -106 photons dans un
faisceau collimaté à  variable
Photon rétro-diffusé par la face illuminée
Réflexion directionnelle hémisphérique (R)
Photons sortant par les autres faces
 Transmission directionnelle hémisphérique (T)
Photons absorbé après réflexion multiple au sein
du volume global de simulation
 Emission (E)
Estimation de l’émissivité (Loi de Kirchhoff)



E , ,T   1  R , ,T   T  , ,T 
B. Rousseau, D. De Sousa Meneses, P. Echegut , M. Di Michiel , J.F. Thovert, Prediction of the thermal radiative properties of an x-ray µ-tomographied
porous silica glass, Applied Optics 46 (2007) 4266-4276
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Plan de l’exposé
• Cadre des travaux
• Stratégie de caractérisation numérique
appliquée à d’une mousse d’aluminium
• Premiers résultats obtenus
• Synthèse, conclusion et perspective
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Raytracing - Face de rétrodiffusion
0.000
10.00
20.00
200
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
150
90.00
100.0
Données de simu :
Nb d’onde (cm-1) : 4840.0
n : 2.47
k : 21.0
Nb de rayons : 106
Diamètre du spot : 1/3 × côté
120.0
Réflexion spéculaire
100
50
0,000
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,0
110,0
120,0
200
50
100
150
200
250
X Axis
Réflexion lambertienne
150
Y Axis Title
Y Axis
110.0
100
50
50
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100
150
X Axis Title
200
250
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Raytracing - Face de transmission
0,000
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,0
110,0
200
Réflexion spéculaire
100
50
0,000
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,0
110,0
200
50
100
150
200
250
X Axis
150
Réflexion lambertienne
Y Axis
Y Axis
150
100
50
50
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100
150
X Axis
200
250
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Raytracing – Faces latérales
160
140
120
80
60
120
100
20
50
100
150
80
60
Profondeur
effective de
pénétration ?
40
40
20
200
50
150
Y Axis
Spéculaire
Lambertien
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
9,000
10,00
11,00
12,00
140
120
100
80
120
100
80
40
40
20
20
150
X Axis
200
250
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
9,000
10,00
11,00
12,00
140
60
100
200
160
60
50
100
Y Axis
160
Y Axis
140
Y Axis
Z Axis
100
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
9,000
10,00
11,00
12,00
160
Z Axis
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
9,000
10,00
11,00
12,00
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50
100
150
X Axis
200
250
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Influence du modèle de réflexion
400000
Specular
Lambertian
350000
Number of trajectories
Données de simu :
Nb d’onde (cm-1) : 4840.0
n : 2.47
k : 21
Nb de rayons : 106
300000
Diamètre du spot : 1/3 × côté
250000
200000
150000
100000
50000
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Number of reflexion
Le modèle de réflexion pilote la distribution du nombre
d’interactions total vécus.
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Grandeurs spectroscopiques
1.0
0.9
Experimental data
Numerical (Lambertian)
Numerical (Specular)
Reflectance
0.8
0.7
Influence du modèle
de diffusion
0.6
0.5
0.4
0.3
Nécessité de prise
en compte de la
micro-structure
0.2
0.1
0.0
1000
2000
3000
4000
5000
-1
Wave number (cm )
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Grandeurs spectroscopiques
1.0
Experimental data
Numerical (Lambertian)
Numerical (Specular)
Numerical restricted (Lambertian)
Numerical restricted (Specular)
0.9
Transmittance
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
1000
2000
3000
4000
5000
-1
Wave number (cm )
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Influence de la taille du spot
14
Echantillon :
Taille totale : 40x40x15 mm3
Volume de mesure : 30x30x15 mm3
12
10
8
6
4
2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.0
Transmittance (Specular)
Reflectance (Specular)
Transmittance (Lambertian)
Reflectance (Lambertian)
0.9
ø spot / ø échantillon
0.8
Fluctuation des grandeurs
spectroscopiques par
rapport au ø du spot.
1.0
0.9
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
0.0
1.0
ø spot / ø sample
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Reflectance
0
Transmittance
Libre parcours moyen
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Plan de l’exposé
• Cadre des travaux
• Stratégie de caractérisation numérique
appliquée à d’une mousse d’aluminium
• Premiers résultats obtenus
• Synthèse, conclusion et perspective
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Synthèse des résultats
• L’influence de la méso-porosité non acquise par tomographie a été
mise en évidence.
• Les comportements de diffusion sont cohérents avec les résultats de la
littérature (A.G. Fedorov, R. Viskanta, Radiation Characteristics of Glass Foams, J. Am.
Ceram. Soc).
• Des lois de diffusion en surface doivent être utilisées pour traduire la
micro-porosité (thèse Mathilde Loretz CETHIL).
• Le diamètre du spot d’émission a une influence différente sur les
grandeurs radiatives et les grandeurs spectroscopiques (Notion de VER
différente ?)
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P. 25
Conclusions
• Elaboration d’un outil de simulation numérique permettant l’évaluation de
propriétés radiatives de milieux poreux à partir d’images 3D (tomographie,
RMN,…) si l’approximation de l’optique géométrique est valide.
• Traitement d’échantillons numériques de volume semblable à ceux des
échantillons caractérisés par spectroscopie d’émission infrarouge : possibilité de
confronter les résultats.
• Outil numérique permettant ensuite d’envisager des modifications de textures
et/ou de compositions à des fins d’aide à la conception de matériaux.
• Développement d’un plug-in « radiatif » dans un code préexistant (iMorph)
permettant une analyse complémentaire à l’étude morphologique : dépôt d’une
licence CECILL en cours.
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Perspectives
 Evaluer l’erreur statistique de Monte-Carlo sur les mesures numériques.
 Modifier le spot d’émission et les lois de tirage pour obtenir une densité
de flux constante en émission.
 Mettre en cohérence les définitions et les moyens de mesure de la
transmitance expérimentale et numérique.
 Evaluation de grandeurs radiatives et de grandeurs directionnelles
(albedo, fonction de phase, émittance directionnelle).
 Adapter l’architecture du code numérique pour le traitement de milieu
transparent à haute température (Zr02-8%Y2O3, Al2O3, MgO,Si02)
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P. 27
Merci pour votre attention
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P. 28