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2015-ENAM-0016 École doctorale n° 432 : Science des Métiers de l’Ingénieur Dire

2015-ENAM-0016 École doctorale n° 432 : Science des Métiers de l’Ingénieur Directeur de thèse : Abbas TCHARKHTCHI Co-encadrement de la thèse : Sofiane KHELLADI Arts et Métiers ParisTech - Centre de Paris Laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux (PIMM) Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers Spécialité “ Mécanique et Matériaux ” présentée et soutenue publiquement par Abdelmoumen HAMIDI le 09 septembre 2015 Modélisation et simulation du rotomoulage réactif du polyuréthane Jury Mme. Patricia KRAWCZAK, Professeur, TPCIM, Mines Douai Présidente Mme. Noëlle BILLON, Professeur, CEMEF, MinesParisTech-Sophia Antipolis Rapporteur M. Yvan CHALAMET, Maître de Conférences (Hdr), IMP-UJM, Université Jean Monnet Rapporteur M. Jérôme FORTINEAU, Maître de Conférences, GREMAN, INSA Blois Examinateur M. Fabien NONY, Docteur, CEA Le Ripault Examinateur M. Riadh ATA, Docteur, EDF Chatou Examinateur M. Abbas TCHARKHTCHI, Professeur, PIMM, Arts et Métiers Paristech Directeur M. Sofiane KHELLADI, Professeur, Dynfluid, Arts et Métiers Paristech Co-Directeur T H È S E Remerciements Après trois années de recherche, voilà que je ressens enfin la satisfaction d’un objectif accompli. Ce travail de recherche, m’a permis de développer des connaissances et des compétences qui dépassent bien à des égards le cadre solitaire tracé par cette thèse. Ce travail était l’occasion de connaître plusieurs personnes. Certaines ont influencé directement mes avancements avec intérêt et compréhension, d’autres m’ont encouragée et soutenue moralement. Je souhaite d’abord, adresser ma plus sincère gratitude à mes chers directeurs de thèse Mr Abbas TCHARKHTCHI et Mr Sofiane KHELLADI qui, malgré un agenda chargé de lourdes responsabilités, ont su trouver le temps pour me guider dans les méandres de la recherche. La disponibilité de leurs enseignements riches m’a facilité la tâche à bien des égards. J’ai été extrêmement touchée par leurs qualités humaines d’écoute, de compréhension et de complaisance. Que ces modestes mots soient témoins de mon infinie reconnaissance et de ma respectueuse admiration. J'exprime toute ma reconnaissance envers Mme Patricia KRAWCZAK, Professeur à l’Ecole de Mines de Douai, qui m'a fait l'honneur de présider ce Jury. Merci également à Mme Noëlle BILLON, Professeur à l'Ecole de Mines de Paris et à Mr Yvan CHALAMET Maître de Conférence (HdR) à l’université Jean Monnet qui ont accepté de participer au jury en tant que rapporteur. Je remercie aussi Mr Jérôme Fortineau Maître de conférences (HdR) à l'INSA Blois, Fabien NONY Docteur au CEA Le Ripault et Riadh ATA docteur au EDF Chatou pour leur participation au jury. Tous mes remerciements au Mme Sedigheh FARZANEH Docteur au laboratoire PIMM des Arts et Métiers ParisTech pour ses conseils précieux et un grand merci à Lounès Illoul qui m'a appris énormément sur les méthodes numériques et aux techniques de programmation, sans oublier mon frère Abdallah elheritssi Sofiane. Que le directeur Mr Gilles REGNIER trouve ici l’expression de ma sincère gratitude de m’avoir accueilli au sein du laboratoire des Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux (PIMM), ainsi que Mr Farid BAKIR directeur du laboratoire du Dynfluid. Mes remerciements vont également à toutes les personnes qui m'ont aidé de près ou de loin, un merci tout particulier à Farida, Mohammedali , Michel, Amine, Sara, Bardia, Nousine, Tetiana, Soufyane, khalil, amine, hassan, Takfarinas, azam tarik, Joseph, salah, Odile ANGELE, Alain GAUDY, Michael BARBIN et à Albert LUCAS . Merci à Mohamed Kecib, Zitouni Djamila, Hadj miliani pour leur soutien et encouragements. Je remercie mes très chers parents, Mohamed et Aicha, qui ont toujours été là pour moi, « Vous avez tout sacrifié pour vos enfants n’épargnant ni santé ni efforts. Vous m’avez donné un magnifique modèle de labeur et de persévérance. Je suis redevable d’une éducation dont je suis fier ». Je remercie mes sœurs Malika et Djamila et mes frères Abdelkader et Djilali pour leur encouragement. Un grand merci à Mohamed Kecib, Zitouni Djamila, Hadj miliani, hichem, tedjini, attaf,zidour,nacef,djarboua, belhadji, fateh. Merci particulier à Ma chère belle-mère Aicha, pour leur soutien et encouragements. A ma femme Karima, pour son soutien et ses mots m’ont toujours aidé à dépasser les moments difficiles. Il n’y pas de mots suffisamment forts pour lui exprimer ma gratitude. Je la remercie énormément pour la compréhension, la patience et l’amour dont elle a fait preuve durant ces années. Je me dois donc de lui dédier personnellement ce travail. Merci aussi à mes trois princesses : Meriem, Lina et Sirine qui ont dû supporter les états d’âme d’un Papa qui partait toujours lancer des « manips » et qui revenait fatigué. Leur sourire insouciant m’a toujours redonné courage et faire disparaitre mes soucis et le stress de la thèse. J'en arrive à mes derniers mots qui sont ceux révélant mes plus profonds remerciements. Elles sont adressées à mes responsables en Algérie et en premier M. Hadji Zerhouni, pour la confiance qu’il m’a accordée pour poursuivre mes études et pour l’intérêt qui porte à la formation et à la recherche, Mr Abba Abdelhamid, pour ses encouragements et sa confiance. Merci à tous Publications dans des revues internationales: 1. Hamidi, A., Khelladi, S., Illoul, L., Shirinbayan, M., Bakir, F., & Tcharkhtchi, A. (2015). Modelling surface tension with smoothed particle hydrodynamics in reactive rotational moulding. Computers & Fluids, 118, 191-203. 2. Hamidi, A., Farzaneh, S., Nony, F., Ortega, Z., Khelladi, S., Monzon, M.,F.Bakir & Tcharkhtchi, A. (2015). Modelling of sintering during rotational moulding of the thermoplastic polymers. International Journal of Material Forming, 1-12. 3. Hamidi, A., Khelladi, S., Shirinbayan, M., Bakir, F., & Tcharkhtchi, A. Implementation of surface tension force in fluid flow during reactive rotational molding. International Journal of Material Forming, 1-18 (article in press) Table des matières Introduction générale ............................................................................................................................. 7 CHAPITRE I:Etude bibliographique ........................................................................................................ 10 I.1.Rotomoulage : description du procédé ........................................................................................ 11 I.1.1.Rotomoulage conventionnel ................................................................................................. 11 I.1.2.Rotomoulage réactif .............................................................................................................. 13 I.2.Mise en œuvre d’un modèle du rotomoulage réactif .................................................................. 15 I.3.Modélisation des procédés de plasturgie .................................................................................... 18 I.3.1.Modèle physique ............................................................................................................... 20 I.3.2.Travaux antérieurs............................................................................................................. 23 I.4.Etude et modélisation du système réactif Polyols Isocyanates ................................................... 27 I.4.1.Polyuréthanes........................................................................................................................ 27 I.4.1.1.Isocyanates ..................................................................................................................... 28 I.4.1.2.Polyols ............................................................................................................................ 29 I.4.1.3.Allongeurs de chaînes .................................................................................................... 30 I.4.1.4.Catalyseurs ..................................................................................................................... 30 I.4.2.Modèles cinétiques dédiés aux polyuréthanes thermodurcissables .................................... 32 I.4.3.Méthodes expérimentales du suivi cinétique ....................................................................... 37 I.5.Phénomènes physico-chimiques des polymères ......................................................................... 38 I.5.1.Gélification ............................................................................................................................ 38 I.5.2.Vitrification ............................................................................................................................ 39 I.5.2.Diagramme Temps-Température-Transformation isotherme (TTT) ..................................... 40 I.5.3.Diagramme Temps-Température-Transformation anisotherme (CHT) ................................ 41 I.5.4.Modélisation rhéocinétique .................................................................................................. 42 I.5.4.1.Modèles mécanistiques .................................................................................................. 43 I.5.4.2.Modèles empiriques ....................................................................................................... 44 CHAPITRE II:Matériaux et méthodes .................................................................................................... 45 II.1.Matériaux .................................................................................................................................... 46 II.2.Méthodes d’analyse .................................................................................................................... 46 II.2.1.Analyse enthalpique différentielle ....................................................................................... 46 II.2.2.Analyses rhéologiques .......................................................................................................... 47 II.2.3.Rotomoulage ........................................................................................................................ 48 CHAPITRE III:Résultats expérimentaux et discussion ........................................................................... 50 III.1.Suivi cinétique de la réticulation par DSC .................................................................................. 51 III.2.Analyses rhéologiques ................................................................................................................ 58 III.2.1.Modèle rhéocinétique adopté ............................................................................................ 62 III.2.1.Effet du taux de cisaillement sur la viscosité ...................................................................... 64 III.3.Profil thermique ......................................................................................................................... 68 III.4.Synthèse de l’étude expérimentale ........................................................................................... 69 CHAPITRE IV:Simulation numérique du procédé du rotomoulage réactif ........................................... 71 IV.2.Principe de la méthode SPH ....................................................................................................... 72 IV.2.1.Choix du noyau .................................................................................................................... 73 IV.2.2.Approximation discrète du schéma d’interpolation ........................................................... 74 IV.3.Discrétisation du système d’équations par SPH ........................................................................ 75 IV.3.1.Equation de conservation de masse ................................................................................... 75 IV.3.2.Equation de conservation de quantité de mouvement ...................................................... 76 IV.3.3.Equation de conservation d’énergie ................................................................................... 77 IV.3.3.Equation d’état .................................................................................................................... 78 IV.4.Recherche des particules voisines ......................................................................................... 78 IV.5.Conditions aux limites ................................................................................................................ 79 IV.6.Déplacement des particules ....................................................................................................... 81 IV.7.Avance en temps ........................................................................................................................ 82 IV.8.Modèle rhéocinétique................................................................................................................ 83 IV.9.Organistion du solveur SPH ........................................................................................................ 83 IV.9.1.Construction du domaine d’étude ...................................................................................... 83 IV.9.2.Organigramme du code SPH ............................................................................................... 84 IV.9.3.Traitement des résultats ..................................................................................................... 85 CHAPITRE V:Implémentation des effets de tension de surface et effets viscoélastiques .................... 88 V.1.Introduction ................................................................................................................................ 89 V.2.Modélisation des effets de tension de surface ........................................................................... 91 V.2.1.Etat de l’art ........................................................................................................................... 92 V.2.2.Modèle de tension de surface adopté ................................................................................. 95 V.2.2.1.Détection des particules d’interface ............................................................................. 96 V.2.2.2.Reconstruction d’interface en deux dimensions ........................................................ 105 V.2.2.3.Reconstruction d’interface en trois dimensions ......................................................... 109 V.2.2.4.Validation du modèle de tension de surface en 2D .................................................... 112 V.2.2.5. Validation du modèle de tension de surface en 3D ................................................... 119 V.2.2.6.Simulation du rotomoulage réactif en 2D ................................................................... 121 V.2.2.7.Simulation du rotomoulage réactif en 3D ................................................................... 126 V.3.Modélisation d’un écoulement de fluide non-newtonien ........................................................ 127 V.3.1.Travaux antérieurs ............................................................................................................. 128 V.3.2.Modèle adopté ................................................................................................................... 128 V.3.3.Simulations de l’écoulement d’un fluide non-newtonien lors du rotomoulage ................ 130 V.4.Simulation du liner du réservoir du gaz naturel en 3D ............................................................. 134 Conclusions générales et perspectives .............................................................................................. 136 Références bibliographiques ............................................................................................................... 140 Liste des figures Figure 1: Les différentes phases de rotomoulage des poudres. ........................................................................... 11 Figure 2 : Etapes principales du rotomoulage réactif. .......................................................................................... 13 Figure 3: Phénomènes physico-chimiques mis en jeu au cours du rotomoulage réactif [30]. ............................. 16 Figure 4: Différents régime d’écoulement lors du rotomoulage réactif. .............................................................. 17 Figure 5: Simulation 2D du rotomoulage réactif par la méthode des volumes finis pour une viscosité de 0,1 Pa.s, à t=3 s[30]. .................................................................................................................................................... 24 Figure 6 : Simulation 2D du rotomoulage réactif par la méthode SPH : variation de la masse volumique (a) et du gradient thermique (b) au cours de l’écoulement à t=3,5 s *30+. ................................................................ 25 Figure 7: Résultats SPH pour le cylindre 3D (400 000 particules) [52].................................................................. 26 uploads/Geographie/ hamidi 1 .pdf