Thermophysical characterization tools and numerical models for the thermostructural composites at high temperature
Outils de caractérisation thermophysique et modèles numériques pour les composites thermostructuraux à haute température
Résumé
This work is an original contribution to the study of the thermostructural composite materials thermal behaviour. It aims to develop a methodology with a new experimental device for thermal characterization adapted to this type of material and to model the heat transfer by conduction within these heterogeneous media. The first part deals with prediction of the thermal effective conductivity of stratified composite materials in the three space directions. For that, a multiscale model using a rigorous morphology analysis of the structure and the elementary properties is proposed and implemented. The second part deals with the thermal characterization at high temperature. It shows how to estimate simultaneously the thermal effusivity and the thermal conductivity. The present method is based on the observation of the heating from a plane sample submitted to a continuous excitation generated by Joule effect. Heat transfer is modelled with the quadripole formalism, temperature is here measured on two sides of the sample. The development of both resistive probes for excitation and linear probes for temperature measurements enables the thermal properties measured up to 1000°C. Finally, some experimental and numerical application examples lead to review the obtained results.
Ce travail apporte une contribution originale à l'étude du comportement thermique des composites thermostructuraux à haute température. Il se consacre à la fois au développement d'une méthodologie et d'un nouveau dispositif expérimental de caractérisation thermique par contact adapté pour ce type de matériau ainsi qu'à la modélisation des transferts de chaleur par conduction au sein de ces milieux hétérogènes. La première partie du document traite de la prédiction de la conductivité thermique effective de composites stratifiés 2D dans les trois directions de l'espace. Pour cela, une stratégie de modélisation multiéchelle, s'appuyant sur une analyse morphologique précise des matériaux étudiés et sur la connaissance de leurs propriétés élémentaires, est proposée puis appliquée. La seconde partie du document aborde la caractérisation thermique en température et démontre comment identifier simultanément l'effusivité et la conductivité thermique. La méthode développée est fondée sur l'observation de l'échauffement d'un échantillon plan soumis à un créneau de flux généré par Effet Joule. L'écriture du modèle direct (1-D) fait appel au formalisme des quadripôles thermiques, les observables sont les températures en face avant et en face arrière de l'échantillon. La mise au point de sondes résistives et de capteurs de température linéiques, revêtus de faible épaisseur de céramique isolante permet la réalisation de mesures jusqu'à 1000°C. Enfin, divers exemples d'applications expérimentales et numériques conduisent à une analyse critique de l'ensemble des résultats