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Science et ingénierie des matériaux et des procédés

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Modélisation numérique

L'équipe EPM modélise des phénomènes électromagnétique, thermique et hydrodynamique ainsi que leurs interactions/couplages. Ces phénomènes peuvent être accompagnés par des changements de phases. Le portefeuille de codes du groupe est varié et adapté au cas par cas : outils spécifiques et/ou codes commerciaux.
Notre savoir-faire est lié
  • à l’utilisation des codes,
  • au couplage de codes,
  • à la maitrise des méthodes numériques (méthode des éléments finis, des volumes finis et intégrale)
  • à la conception de modules spécifiques et validés.
Les challenges des dernières années ont été : l’évolution de la complexité des géométries modélisées (configurations fortement 3D, multi-échelles) et le développement de solutions logiciels parallélisées.
 

Logiciel MULTIFAST

MULTIFAST est un code de simulation de la turbulence à haut niveau de modularité développé entre le LEPMI le LEGI et le SIMAP depuis une dizaine d'années. Les approches de Simulation Numérique Directe (DNS) sont des outild puissants qui permettent de reproduire le comportement d'écoulements complexes sans avoir recours à une quelconque fermeture afin de résoudre les équations de Navier-Stokes. C'est donc un outil idéal pour investiguer au niveau académique les interactions entre écoulements complexes et champs externes. Un travail de fond est initié dans ce sens afin d'ajouter la résolution d'une composante magnétique ou électrique couplée à la mécanique des fluides.


 

Modélisation 3D avec le logiciel AEQUATIO

AEQUATIO est une boite à outils logiciels destinée aux développements d’algorithmes de modélisations numériques en éléments finis statiques, dynamiques, non linéaires, multi-physiques et multi-échelles. Elle dispose d’un noyau d’assemblage et d’intégration en éléments finis associé à une description formelle de systèmes d’équations physiques ainsi qu’à une approche multi-maillages de la construction du domaine discrétisé. Elle est interfacée avec la bibliothèque de résolution parallèle de grands systèmes creux MUMPS et avec l’application de visualisation de résultats Paraview. Les applications développées avec AEQUATIO sont totalement paramétrables et permettent de traiter des problèmes très différents tels l’optimisation de procédés inductifs ou les mouvements de particules à morphologies complexes dans un liquide sous l’effet de champs électromagnétiques (IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2015).
 
Aequatio grain
Température à la surface du grain                Lignes de courant (rouge), de forces (jaune)
Modélisation de l'effet magnétothermoélectrique lors de la solidification d'un alliage AlCu avec AEQUATIO

Les possibilités de modélisation en éléments finis multi-échelles du logiciel AEQUATIO sont bien adaptées au traitement de problèmes de trajectoires de particules sous l’effet de forces Magneto-Thermo-électriques. Les simulations prennent en compte des domaines (grains dendritiques équiaxes ) construits à partir de radiographies et tomographies sous rayons X. Elles montrent que les champs de température, les champs électriques et les trajectoires de particules sont très influencés par leurs morphologies généralement complexes.
 

Logiciel MIMEF

MIMEF est un logiciel parallèle dédié à la modélisation multiphysique des systèmes inductifs. Il met en œuvre deux méthodes numériques : la méthode intégrale très performante pour la modélisation électromagnétique car elle permet de s’affranchir du maillage de l’air et la méthode des éléments finis pour la modélisation des phénomènes de transferts (EPM 2018, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, IEEE Trans. Mag 2014). Cet outil doit permettre de développer divers algorithmes de couplage entre phénomènes physiques suivant l’importance de leurs interactions, des outils d’importation CAO pour la prise en compte des géométries réelles des installations et des algorithmes d’optimisation.
                                                                                                                          Lev_F
lev_J
Densité de courant à la surface de la charge                          Densité de force électromagnétique à la surface de la charge
Modélisation d'une charge en lévitation électromagnétique avec le logiciel MIMEF

Modeling of solidification of binary alloys in equiaxed and columnar regimes with convective flows

 Modeling of equiaxed solidification is vital for understanding the solidification process of metallic alloys. Recently we developed a three-phase multiscale equiaxed solidification model in which some approximations regarding solute transport at microscopic scale were put together in a new way and incorporated into macroscopic transport equations.  A modernized model for equiaxed dendrite growth was tested using a case of solidification of Sn-5 wt pct Pb alloy in a parallelepiped cavity that mimics the Hebditch–Hunt experiment (see movies). Studies of solidification of  under the action of forced convection caused by electromagnetic stirring is ongoing.
    Our previous studies were related to modeling of solidification of binary and ternary alloys in columnar structure.
fs_olga
cmix_olga
 
Evolution of solid fraction (fs) and concentration (Cmix) in Sn 5Wt pct Pb with different models for diffusion length inHebditch-Hunt experiment
Collaborations:
This work is a part of ESA-MAP MICAST https://en.wikipedia.org/wiki/Materials_Science_Laboratory
Apart of MICAST, we collaborate with Key Laboratory of EPM of Northeastern University (P. R. China)
Publication : “Effect of Diffusion Length in Modeling of Equiaxed Dendritic Solidification under Buoyancy Flow in a Configuration of Hebditch–Hunt Experiment” by Tao Wang, Sergey Semenov, Engang Wang, Yves Delannoy, Yves Fautrelle, Olga Budenkova in Metallurgical and Materials Transaction B Vol.50 (6) (2019),3039-3054.

Modélisation d'un procédé inductif de vitrification de déchets nucléaires : PIVIC

Dans le cadre d'une collaboration avec le CEA Valrho, nous développons la modélisation de la partie fusion du procédé PIVIC. Le Procédé d’Incinération-Vitrification In Can (PIVIC) est dédié au retraitement des déchets mixtes de moyenne et faible activité. Ce procédé comporte deux étapes : une étape d’incinération et une étape de vitrification (Thèse R. Bourrou). Dans ce procédé la charge est constituée de métal et de verre. Le principe consiste à chauffer, à fondre et à brasser par induction la phase métallique. Les transferts de chaleur et de mouvement du métal vers le verre assure sa fusion et sa mise en mouvement. Dans ce procédé, l’interface métal-verre joue un rôle majeur. De plus, le métal se déforme sous l’action du champ électromagnétique et prend une forme de dôme. Un algorithme de couplage itératif a été développé entre les logiciels COMSOL® et ANSYS FLUENT® a permis une modléisation magnéto-thermo-hydrodynamique avec détermination des frontières des liquides : métal et verre (Eur. J. of Mechanics / B Fluids 2020, EPM 2018, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering)
principe pivic resultats pivic

Schéma de principe                                                       Température et de vitesse dans le métal et le verre

mise à jour le 26 novembre 2019

Université Grenoble Alpes