Impact et solidification de gouttes métalliques sur un substrat solide

Abstract

Ce travail a pour objet l'étude des phénomènes mécaniques et thermiques lors de l'impact de gouttes de métal chaudes sur un substrat solide sec froid par simulation numérique et par analyse expérimentale. Cette étude vise à mieux comprendre la formation de revêtements fins sur une surface par pulvérisation de gouttelettes et à caractériser les paramètres qui influencent la porosité du film fin et sa topologie de surface. Les simulations numériques sont basées sur un modèle à un fluide où le domaine contient à la fois l'air, les gouttes et le substrat. Ce modèle consiste à coupler les équations de Navier-Stokes, de transport de l'interface et de l'énergie avec prise en compte de la solidification. Les phénomènes dynamiques et thermiques sont validés indépendamment à partir de cas simples. Puis l'impact de plusieurs gouttes est analysé dans deux configurations, c'est-à-dire lors de l'impact simultané de particules fluides identiques, puis lors de l'impact successif de ces mêmes gouttes. Les résultats sont exprimés sous forme de hauteur du jet de rencontre de deux gouttes voisines en fonction de la contribution des énergies cinétique et de surface, du travail des forces visqueuses et du travail nécessaire à la solidification, au travers des nombres de Reynolds, de Weber et de Stefan. En parallèle, l'analyse expérimentale des phénomènes thermiques est réalisées afin de déterminer d'une part l'évolution de la résistance thermique de contact entre le métal et le substrat à l'aide d'une presse permettant le contact brusque de deux milieux l'un changeant de phase et d'autre part la cinétique de cristallisation du métal soumis à un refroidissement important à l'aide d'un calorimètre différentiel à balayage.