2. Chapitre 2 : Amélioration du modèle du four Bridgman par la prise en compte de la transition
2.1. Description du problème sur un modèle 3D simple : la double-boite
Afin de prendre en main le nouveau module de maillage mobile, nous avons réalisé un nouveau modèle, bien plus simple que le four Bridgman simulé précédemment (sous-partie 1.2). Tout d’abord, le système nécessite l’utilisation d’une boîte (qui correspond à l’ampoule, si on se réfère à notre modèle du four Bridgman) autour de l’ensemble cristal/liquide (où se situe la transition de phase) afin de permettre de réaliser un maillage mobile (description plus détaillée de ce maillage plus loin dans cette sous-partie). Cette disposition est illustrée en Figure 77. Ensuite, le système utilise une boîte externe (représentation des deux boîtes en Figure 78), qui représente la paroi du four chauffant tout l’ensemble (pour se rapprocher ainsi de la géométrie utilisée pour le four Bridgman et donc du comportement de ce dernier thermiquement). Cette boite externe est reliée à la boîte interne par deux parties cylindriques, comme montré Figure 78. Les dimensions utilisées pour ce modèle sont résumées dans le Tableau 16.
Figure 77: Géométrie de la boîte interne du nouveau modèle et des joints (cylindres) entre les boîtes. La zone en bleue correspond au liquide au sein de cette boîte (la zone correspondant au cristal est aussi dans la
boîte interne, en gris).
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Figure 78: Représentation du système à double boîte, où la boîte externe est en bleu
Nous avons considéré pour notre test le système entier comme étant constitué d’étain, qui est un matériau dont les valeurs des propriétés nécessaires pour cette simulation sont connues (les données matériaux utilisées sont décrites dans le Tableau 17). C’est-à-dire que les boîtes, le liquide et le solide ont les propriétés matériaux de l’étain (mis à part que les boîtes ont été considérées solides à toute température), pour simplifier ce modèle.
Tableau 16: Tableau résumant les dimensions utilisées pour le système de double-boîte Valeurs (mm) Description
200 Longueur de la boîte externe, nommé « L » (axe x) 100 Largeur et profondeur de la boîte externe (axe y et z)
5 Epaisseur de la boîte externe
50 Diamètre des joints cylindriques
10 Epaisseur des joints cylindriques
170 Longueur de la boîte interne (axe x)
80 Largeur et profondeur de la boîte interne (axe y et z)
5 Epaisseur de la boîte interne
Tableau 17: Tableau récapitulatif des données matériaux utilisées pour le système de double-boîtes [183]
Température
97 Afin d’avoir un gradient de température au sein du système, permettant aux phases solide et liquide (les deux zones au sein de la boîte interne, en Figure 77) d’être en équilibre, nous avons établi la condition aux limites suivant un modèle simple à la surface externe de la boîte extérieur:
𝑇(𝑥) = 𝑇𝑐+𝑥
𝐿 (𝑇ℎ− 𝑇𝑐) (2.1)
Avec Tc= 503 K et Th=508 K les températures des faces latérales de la boîte externe (illustrées en Figure 79). Cette condition est également propagée dans l’ensemble du volume comme condition initiale. En condition initiale également, l’interface entre le cristal solide et le liquide (les deux zones au sein de la boîte interne, cf Figure 77) a été placée à la position où la température correspond à la température de fusion de l’étain (c’est-à-dire à Xf =80 mm, avec T(Xf)=Tfusion=505 K).
Figure 79: Représentation du système de double boîte avec les faces latérales de température en bleu (Tc à gauche, Th à droite)
Pour ce modèle, les propriétés (sauf la masse volumique) ont été considérées constantes avec la température du fait du faible écart de température au sein de ce modèle (moins de 5 K d’écart). Le fluide n’est soumis qu’à son poids (la gravité est dans le sens –z) et ne glisse pas librement sur la paroi de la boîte inerte. Ainsi, il n’est soumis qu’à la convection naturelle provoquée par la différence de température et son poids.
Afin de prendre en compte la transition de phases se déroulant sur la frontière liquide/solide (présentée Figure 80), nous devons indiquer au logiciel l’échange de flux de chaleur entre les deux phases ainsi que lui signifier que cette frontière présente une température fixe (la température de fusion du composé, soit 505 K). Cela permet ainsi au système de modifier la frontière en fonction de ce flux de chaleur [184] (le flux de chaleur provenant du liquide est impacté par la convection en son sein) afin d’atteindre l’équilibre. Ce déplacement est dicté par l’équation :
𝜌0∆𝐻 × 𝒗⃗⃗ . 𝒏⃗⃗ = (𝜙⃗⃗⃗⃗ − 𝜙𝑙 ⃗⃗⃗⃗ ). 𝒏⃗⃗ 𝑠 (2.2)
98 Avec 𝜌0 la masse volumique des deux phases (considérée comme identique à la température de fusion), ∆𝐻 l’enthalpie de fusion du composé (évalué à 60 kJ.kg-1 pour l’étain [183]), 𝒗⃗⃗ le champ de vitesse de la frontière, 𝒏⃗⃗ le vecteur normal à la frontière et 𝜙⃗⃗⃗⃗ 𝑙 et 𝜙⃗⃗⃗⃗ 𝑠 sont les flux de chaleur émis respectivement par le liquide et par le solide (exprimé en W.m-2).
Figure 80: Illustration de la frontière (mise en surbrillance en vert) où s’applique en permanence la condition de température correspondant à la transition de phase dans le système à double boîte.
Il est possible de procéder directement au calcul à partir des données calculées autour de la frontière (en utilisant le point de maillage le plus proche de la frontière, illustré Figure 81) pour déterminer le gradient de flux de chaleur entre 𝜙⃗⃗⃗⃗ 𝑙 et 𝜙⃗⃗⃗⃗ 𝑠. Cependant, la valeur de cette différence est dépendante de la qualité du maillage car elle n’évalue pas les flux de chaleurs directement sur la frontière. Le comportement de la frontière peut alors être altéré par cette imprécision de calcul.
Cependant, il est possible d’utiliser un multiplicateur de Lagrange qui utilise les flux de chaleurs sur les points de maillage proche de la frontière pour établir une fonction de ce flux et évaluer ainsi la valeur du flux de température sur la frontière. Cela permet ainsi au calcul de ne plus dépendre de la qualité du maillage et limite les imprécisions pour le bilan d’énergie (équation 2.2).
Figure 81: Représentation de l'interface selon le calcul du gradient
99 Le dernier point pour la réalisation de ce modèle est la réalisation du maillage du système. Un maillage tétraédrique simple a été utilisé. Cependant, il faut séparer le maillage entre le système cristal/liquide et la boîte interne. En effet, si cette séparation n’est pas effectuée, le maillage de la boîte suivra l’évolution du maillage du système cristal/liquide généré par la transition de phase. On aurait ainsi deux cas de figure pour la simulation :
- 1) Le module de Comsol « maillage mobile » n’est utilisé que pour le système cristal/liquide ().
Dans ce cas, le maillage dans la paroi de la boîte reste fixe. Cependant, le maillage dans tout le système est lié : le logiciel considère alors que le maillage à la surface interne de la boîte (c’est-à-dire sur la paroi en contact avec le système cristal/liquide) reste fixe, au contraire du reste du volume du système cristal/liquide. Cela ajoute ainsi des conditions aux frontières du système cristal/liquide qui n’existent pas, bloquant ainsi le front de cristallisation qui ne peut se déplacer librement (le diamètre du front de cristallisation en contact avec la paroi de la boîte reste fixe). Ces conditions alourdissent de plus les calculs ;
- 2) Le module « maillage mobile » est utilisé pour la boîte interne. Dans ce cas de figure, tout l’ensemble boîte/cristal/liquide possède un maillage mobile que le logiciel doit calculer. Cette méthode n’ajoute pas une contrainte fausse sur le modèle (comme le fait le cas de figure précédent).
Cependant, elle n’est pas optimale car elle force le logiciel à calculer l’évolution du maillage dans des zones où la géométrie n’est pas modifiée, alourdissant ainsi inutilement les calculs.
Figure 82: Schéma des deux cas de figures du maillage au sein de la boîte interne: A) seul le système cristal/liquide a un maillage mobile, entrainant des points fixes sur l’interface entre ces deux phases ; B) Toute
la boîte interne a un maillage mobile, alourdissant les calculs A)
B)
100 Le logiciel Comsol permet de séparer les maillages pour créer deux ensembles indépendants : l’ensemble « boîte vide » et l’ensemble « cristal/liquide ». Ainsi le maillage dans un ensemble à la frontière commune (frontière illustrée dans la Figure 83) n’est plus forcé de coïncider avec le maillage de l’autre ensemble. Ce procédé s’appelle un « Assemblage de géométrie ». Cependant, ce procédé rend les deux systèmes totalement indépendants : le logiciel considère alors qu’il y a deux modèles n’ayant aucune interaction physique. Il est ainsi nécessaire d’indiquer au logiciel une condition de continuité thermique sur la frontière entre les ensembles (illustrée dans la Figure 83) afin de relier thermiquement les deux ensembles. L’utilisation de l’assemblage permet ainsi de localiser le maillage mobile uniquement dans la zone où ce type de maillage est nécessaire, tout en conservant un maillage fixe pour le reste de la géométrie (ce qui permet de ne pas perdre de la puissance de calcul inutilement).
Figure 83: Représentation de la frontière où les maillages sont indépendants. L’ensemble
« cristal/liquide » possède le maillage mobile