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CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 1
Calcul de propriétés thermoradiatives de milieux poreux
Julien Yves Rolland*, Aurélien Canizares, Benoit RousseauCEMHTI UPR CNRS 3079
1D avenue de la Recherche Scientifique, 45071 Orléans cedex 02
* julien-yves.rolland@cnrs-orleans.fr
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 – OrléansP. 2
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 – OrléansP. 3
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
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 4
Cadre des travaux
Etude des propriétés radiatives de matériaux poreux
200 µm
Chambre de combustion Projection
plasma
20 µmRousseau et al., Appl. Phys. Lett., 79 (2001), 3633.
IR heater
Corps noirsCathode (Fuel cell)
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Dynamique multi-discipline
Matériaux hétérogènesmicro & nano poreux
Verres-Céramiques-Mousses
Grandeurs Thermoradiatives
Equivalentes:
Caractérisation expérimentale
Spectroscopie d’émission infrarouge300-3000 K, 0.8-1000 µm
MATERIAUX
ENERGIE
Reconstruction 3D - Microstructure Monte Carlo – Transport de photons
CODE DE CALCUL
µP ,,,
Expérience numérique
ELABORATION
Validation
Directes : E,R,T
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L. del Campo
Méthode expérimentale
Laser CO2
Bruker Vertex 80v (FT-IR)
Bruker Vertex 70 (FT-IR)
Enceinte porte échantillon
Emittance spectrale directionnelle (): 500K – 3000K
→[ 0.6 – 1000 µm]
P. MelinRefl. spectrale Norm. Hémi.Trans. spectrale Norm. Hémi.[2-25 µm]300K
yx
Transmission
Réflexion
A. Canizares
echegut@cnrs-orleans.fr
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Modélisation des propriétés radiatives
300 K 400 à 5 500 cm-1
yx
Transmission
Réflexion
TTTRTE ,,,,1,,
Flexibilité :• en température• en nombre d’onde
Méthode numérique
Méthode expérimentale
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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
Algorithme de lancer de rayonExploitation des résultats pour calcul de propriétés thermoradiatives
Choix de lois physiques de propagation (optique géométrique, diffusion Mie, …) et des paramètres de propagation (indices optiques)
Acquisition de la texture (µ-tomographie)Reconstruction d’un échantillon numérique
Caractérisation
Numérisation
Simulation
Caractérisation chimique (composition chimique, concentration en impuretés)
Caractérisation texturale (porosité, surface spécifique, distribution des tailles de pores…)
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Mousse d’aluminium ERG Al 20
Elaboration : Mousse de réplication à brin plein d’aluminium
Texture poreuse à échelle multiple d’hétérogénéités :• Macro porosité 400 µm• Méso porosité 1-20 µm
20 µm
5 cm
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Caractérisation chimique
Brins aluminium sans impuretés
0 1 2 3 4 5 6 7 80
2000
4000
6000
8000
10000
Cou
nts
E (keV)
Al
Spectre EDX (spectroscopie de dispersion électronique)
2000 4000 6000 8000 100000
50
100
150
200
250
300
350
400
2000 4000 6000 8000 100000
10
20
30
40
50
n,k
Nombre d'onde (cm-1)
n k
Al, T = 300 K
Aleksandar D. Rakić. Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum, Appl. Opt. 34, 4755-4767 (1995)
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 12
Analyse morphologique
Utilisation du logiciel iMorph (Jérôme Vicente & Emmanuel Brun – IUSTI Polytech’Marseille)
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
Tortuosité
Extraction de cellule ellipsoïdes équivalentes
Classification locale de forme
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Echantillon numérique
Utilisation d’un algorithme de Marching Cube pour obtenir des interfaces 3D
Segmentation des interfaces solides/liquides sur les données de µ-tomographie
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Règle de transport
Distribution de tailles de pore obtenue par analyse texturale (XMie >>1)
Optique géométrique
Composition chimique obtenue par spectre EDX + Imagerie MEB
[ Epaisseur moyenne d’un brin (d) coefficient d’absorption (K) ] >> 1 => Brins opaques
Interface = réseau de triangles optiquement polis (Marching cube)
Réflexion spéculaire fonction de l’angle d’incidence
Test d’une réflexion lambertienne (pores < résolution tomographie)
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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 illuminéeRéflexion directionnelle hémisphérique (R)
Photons absorbé après réflexion multiple au sein du volume global de simulation Emission (E)
Photons sortant par les autres faces Transmission directionnelle hémisphérique (T)
TTTRTE ,,,,1,,
Estimation de l’émissivité (Loi de Kirchhoff)
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
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 16
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
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 17
Raytracing - Face de rétrodiffusion
Réflexion spéculaire
Données de simu :Nb d’onde (cm-1) : 4840.0n : 2.47k : 21.0Nb de rayons : 106
Diamètre du spot : 1/3 × côté
Réflexion lambertienne
50 100 150 200 250
50
100
150
200
X Axis Title
Y A
xis
Titl
e
0,00010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,0090,00100,0110,0120,0
50 100 150 200 250
50
100
150
200
X Axis
Y A
xis
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
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 18
Raytracing - Face de transmission
Réflexion spéculaire
Réflexion lambertienne
50 100 150 200 250
50
100
150
200
X Axis
Y A
xis
0,00010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,0090,00100,0110,0
50 100 150 200 250
50
100
150
200
X Axis
Y A
xis
0,00010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,0090,00100,0110,0
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 19
Raytracing – Faces latérales
50 100 150 200
20
40
60
80
100
120
140
160
Y Axis
Z A
xis
0,0001,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008,0009,00010,0011,0012,00
50 100 150 200
20
40
60
80
100
120
140
160
Y Axis
Z A
xis
0,0001,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008,0009,00010,0011,0012,00
50 100 150 200 250
20
40
60
80
100
120
140
160
X Axis
Y A
xis
0,0001,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008,0009,00010,0011,0012,00
50 100 150 200 250
20
40
60
80
100
120
140
160
X Axis
Y A
xis
0,0001,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008,0009,00010,0011,0012,00
Spéculaire Lambertien
Profondeur effective de pénétration ?
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 20
Influence du modèle de réflexion
0 2 4 6 8 10 12 14 160
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
400000
Num
ber
of tr
ajec
torie
s
Number of reflexion
Specular Lambertian
Le modèle de réflexion pilote la distribution du nombre d’interactions total vécus.
Données de simu :Nb d’onde (cm-1) : 4840.0n : 2.47k : 21Nb de rayons : 106
Diamètre du spot : 1/3 × côté
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 21
Grandeurs spectroscopiques
1000 2000 3000 4000 50000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Experimental data Numerical (Lambertian) Numerical (Specular)
Re
flect
an
ce
Wave number (cm-1)
Influence du modèle de diffusion
Nécessité de prise en compte de la micro-structure
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 22
Grandeurs spectroscopiques
1000 2000 3000 4000 50000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0 Experimental data Numerical (Lambertian) Numerical (Specular) Numerical restricted (Lambertian) Numerical restricted (Specular)
Tra
nsm
ittan
ce
Wave number (cm-1)
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 23
Influence de la taille du spot
0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Ref
lect
ance
Tra
nsm
ittan
ce
ø spot / ø sample
Transmittance (Specular) Reflectance (Specular) Transmittance (Lambertian) Reflectance (Lambertian)
0.2 0.4 0.6 0.8 1.00
2
4
6
8
10
12
14
16
Lib
re p
arc
ou
rs m
oye
n
ø spot / ø échantillon
Echantillon :Taille totale : 40x40x15 mm3
Volume de mesure : 30x30x15 mm3
Fluctuation des grandeurs spectroscopiques par rapport au ø du spot.
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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
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 25
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 ?)
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 26
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.
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 27
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)
CEMHTI - UPR3079 CNRS – OrléansP. 28
Merci pour votre attention
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