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Figure 4.15 – Profils transverses de temp´ erature pour diff´ erentes valeurs de (K, b)

4.10 Conclusions

Dans ce chapitre, on a pr´esent´e les r´esultats de l’´etude de sensibilit´e aux param`etres

num´eriques et physiques du mod`ele de bain de fusion impl´ement´e dans Code_Saturne.

L’´etude de sensibilit´e `a la discr´etisation temporelle a permis de se rapprocher d’une

solu-tion converg´ee. Compte tenu du caract`ere instationnaire de la simulation, il est n´ecessaire

d’avoir une discr´etisation spatio-temporelle plus fine. Les bilans de puissance ont permis

de confirmer l’influence de l’effet Marangoni ainsi que de la source de chaleur sur la

so-lution g´en´erale du bain de fusion. Les ´etudes de sensibilit´e aux solveurs lin´eaires, aux

sch´emas de convection et `a la mod´elisation de la zone pˆateuse ont permis de choisir la

configuration de calcul avec un rapport pr´ecision - temps de calcul optimal.

Ainsi, cette ´etude permet d’´etablir une base stable du mod`ele de bain de fusion sur

lequel on pourra effectuer les d´eveloppements de d´eformation de surface.

Chapitre 5

Mod`ele de bain de fusion `a surfaces

libres d´eformables

Sommaire

5.1 Introduction . . . . 91

5.1.1 Description cin´ematique du mouvement de la mati`ere [34] . . . 91

5.1.2 M´ethodes de capture d’interface . . . . 91

5.1.3 M´ethodes de suivi d’interface . . . . 92

5.2 M´ethode ALE . . . . 93

5.2.1 Expression des ´equations sur le domaine mobile . . . . 93

5.2.2 Discr´etisation spatiale . . . . 94

5.2.3 Discr´etisation temporelle . . . . 95

5.3 D´eformation de la surface libre du bain de fusion : R´

esolu-tion de l’´equation de Poisson . . . . 97

5.3.1 Mod`ele du bain de fusion . . . . 97

5.3.2 Calcul du d´eplacement des nœuds : vitesse du maillage. . . . . 97

5.3.3 Extrapolation vitesse du maillage - d´eplacement des nœuds . . 99

5.3.4 Algorithme . . . . 99

5.3.5 Descriptif du cas . . . . 100

5.3.6 G´eom´etrie et discr´etisation spatio-temporelle . . . . 100

5.3.7 Conditions initiales . . . . 101

5.3.8 Conditions aux limites . . . . 101

5.3.9 R´esultats num´eriques . . . . 102

5.3.10 Conclusions . . . . 102

5.4 D´eformation d’une surface libre : D´eplacement cin´ematique

des nœuds . . . 104

5.4.1 Motivation . . . . 104

5.4.2 Mod`ele num´erique . . . . 104

5.4.3 Algorithme . . . . 104

5.4.4 Cas-test de validation : Onde de gravit´e . . . . 105

5.4.5 Calcul des courbures alg´ebriques . . . . 110

5.4.6 Cas-test de validation : Onde capillaire. . . . 114

5.4.7 Cas-test tridimensionnel . . . . 118

5.5 D´eformation de la surface haute du bain de fusion : D´

epla-cement cin´ematique des nœuds . . . 121

5.5.1 Introduction . . . . 121

5.5.2 Identification des nœuds liquides . . . . 121

5.5.3 Condition `a la surface libre pour la pression : courbures alg´

e-briques et pression d’arc . . . . 122

5.5.4 R´esultats num´eriques de la d´eformation de la surface du bain

avec courbures alg´ebriques. . . . 123

5.5.5 R´esultats num´erique de la d´eformation de la surface du bain

avec courbures alg´ebriques et pression d’arc . . . . 124

5.5.6 D´eformation des surfaces haute et basse du bain de fusion . . . 125

5.5.7 D´eformation des surfaces libres du bain de fusion en

configura-tion de soudage horizontale . . . . 127

5.5.8 D´eformation des surfaces libres du bain de fusion en

configura-tion de soudage en corniche . . . . 129

5.1. Introduction 91

5.1 Introduction

Au cours de ce chapitre, on pr´esente un mod`ele permettant la simulation num´erique

d’´ecoulements dilatables `a surfaces libres. Pour ce faire, la m´ethode de suivi d’interface

is-sue de l’approche Arbitrary Lagrangian Eulerian [34,81] a ´et´e d´evelopp´ee afin de prendre

en compte la pr´esence de surfaces libres d´eformables. Dans ce chapitre, on rappelle la

th´eorie sur la description cin´ematique du mouvement de la mati`ere. En second temps, on

pr´esente le mod`ele ALE impl´ement´e dans Code Saturne [1] avec prise en compte de la

tension superficielle. Pour cela, on valide la m´ethode sur des cas de v´erification

bidimen-sionnel et tridimenbidimen-sionnel. Finalement, on l’applique au mod`ele de bain de fusion afin de

d´eformer les surfaces libres dans diff´erentes configurations de soudage.

5.1.1 Description cin´ematique du mouvement de la mati`ere [34]

Dans le domaine de la M´ecanique des milieux continus, les algorithmes utilis´es font

ap-pel `a deux types de description du mouvement : la descriptioneul´erienne et la description

lagrangienne. Avec une description cin´ematique lagrangienne, chaque nœud du maillage

est associ´e `a une particule mat´erielle. Cette description du mouvement permet un suivi

plus ais´e des surfaces libres et des interfaces entre diff´erents mat´eriaux. L’inconv´enient

est qu’avec cette m´ethode, il est impossible de suivre une grande d´eformation dans le

domaine de calcul avec peu d’op´erations de remaillage. La description eul´erienne est tr`es

souvent utilis´ee en m´ecanique des fluides. Le domaine de calcul est fixe et l’´ecoulement se

fait en fonction du maillage. Dans ce cas, les d´eformations importantes peuvent ˆetre prises

en compte assez ais´ement mais la contrepartie est qu’un raffinement accru du maillage

est n´ecessaire dans les zones proches des interfaces. La m´ethode ALE combine les

avan-tages des m´ethodes eul´erienne et lagrangienne. Les nœuds du maillage peuvent bouger en

fonction de l’´ecoulement via une description lagrangienne.

5.1.2 M´ethodes de capture d’interface

Les ´etudes exp´erimentales sur l’´ecoulement du bain de fusion pr´esentent des contraintes

non n´egligeables justifiant ainsi le d´eveloppement de mod`ele num´erique qui permet

d’ob-tenir des informations suppl´ementaires concernant la physique du soudage. D’un point de

vue num´erique, les probl`emes `a maillage mobile pr´esentent un couplage entre les positions

de l’interface et l’´ecoulement du fluide qui interagissent mutuellement. Par cons´equent,

il est donc n´ecessaire de d´evelopper une m´ethode permettant de r´esoudre d’une mani`ere

coupl´ee les ´equations r´egissant l’´ecoulement du bain de fusion et du plasma avec celle

caract´erisant la d´eformation de l’interface. Pour ce faire, diverses m´ethodes existent et

sont r´eparties en deux groupes : m´ethodes de capture d’interface (interface capturing) et

de suivi d’interface (interface tracking).

Dans le cas des m´ethodes bas´ees sur la capture d’interface telles que Level Set (LSM)

et Volume-of-Fluid (VOF), le maillage utilis´e est immobile et l’interface est d´eduite par

la position des particules ou par la reconstruction du champ scalaire.

La m´ethode Level Set permet de mod´eliser les positions de l’interface en adaptant

la m´ethode des lignes de niveau [78]. L’avantage de cette m´ethode est qu’elle permet de

prendre en compte des d´eformations de surface sur un maillage cart´esien sans avoir `a faire

de param´etrisation (comme dans une approche eul´erienne). Ainsi, on peut suivre ais´ement

la d´eformation mˆeme en cas de scission de la surface. Pour ce faire, il est n´ecessaire de

Figure5.1 – D´eplacements des nœuds du maillage et des particules en descriptions lagrangien,