Imagerie 3D des milieux cellulaires et Physique des transferts

Imagerie 3D des milieux cellulaires et Physique des transferts

Jérôme [email protected]

Laboratoire IUSTI CNRS-UMR 7343Aix Marseille Université

25 Octobre 2019

AIX-MARSEILLE UNIVERSITE RDM 2019Imagerie 3D des milieux cellulaires et Physique des transferts 1

Intensification of transfers research group at IUSTI

StructureExperimental measurment

Transfer analysis• Flow laws & parameters• Heat transfer• Phase change

Madani (2007), bonnet (2007) Brun (2009) Hugo (2012), Kumar (2014)

Numerical simulation

Structural impact laws

Tomographic image analysis• segmentation & Morphology• squelettisation , Topology

Pore scale on Real geometryPorous aproach (meso-scale)

Porous structure Optimisation Thermal components design

Géometrical parametersEffective properties

Local fields, transfer mechanismunderstanding, coupling analysis

• Monophasics/diphasique fluid flow laws• Boiling (rigid, moving)

• Reactive porous (gazeification, fluidized bed,, fuel cells….)• Coupled Heat Transfer applications


Solide constitué d’un assemblage de cellules vides, chacune étant entourée par des arêtes ou des parois solides. [Gibs 99, Jano 01]

Définition d’un matériaux cellulaire


Classification des matériaux cellulaires [wadl 02]


Structures et application

Domaines d’utilisation des matériaux cellulaires [Banh 01]


Mousses métalliques ouvertes pour la thermique

• Fort potentiel applicatif• Académique(compréhension des phénomènes de transfert en poreux / loi de dépendance structurelle)


La physique des transferts et l’imagerie 3D

Besoin d’un outil regroupant de nombreux domaines de l’imagerie 3D

iMorph-Rad (2010)Benoit Rousseau, LTN, Nantes

Echanges Radiatifs

Visualisation et reconstruction 3D

• Création des maillages de surface

• Mesures• exportation vers codes de calculs• importation CAO• simplification de maillage

Espace Poral

• Granulométrie• Segmentation des cellules

Ecoulements

• Morphométrie• Orientations

Diffusion thermique

Phase solide

• Squelettisation filaire• Reconnaissance de formes(nœuds, poutres, coques)

Topologie• Approche réseau (Simplification structurelle )• Calcul géodésiques

Multiscale Poral network modeling

iMorph-Pnm (2017) M. Prat IMFT Toulouse

Ecoulements diphasiques/ permeabilité

Heat conduction modeling

Couplages Conducto/Radiatifs


iMorph : Voxel based CT data Visualisation and quantification analysis free software

1995

Topin

1999 2000

Novellani

2003

REFORMEUR (Paco)SPECIMOUSSE (Energie)CATAMOUSSE (Matériaux)

2009

Brun

AN

R F

OA

M

2012

Hugo

Vicente

20142001

ESRF Campaign

iMorph

iMorph-rad - GENMAT

mousse3D

First foam3D images

Open Source licence (cecill)

Phd / postDoc/engineer

2007

iMorph-Pnm

2015

Guevelou

2017

BelghacemMoraPerrin

AN

R O

PTI

SOL

MIP

OR

FUI GIGAQUANT

2018

• Antoni• Recruitment is ongoing

iMorph Clusters Big Volumes

2021

Kumar

2020

• ESRF

• Reactiv’IP

• Digisens

postDoc/engineer

partners


iMorph : 3D Quantification and visualization

Watershed

Segmentation



Throats - contacts

analysis



• Pore network generation

• Segmented object meshing

• Interactive tool


Approche expérimentale – Loi d’écoulement

• Estimation des coefficients de transfert pariétaux et volumiques• Loi d’écoulement monophasique et diphasique• Mesure de dispersion thermique

Les écoulements monophasiques dans les mousses métalliques (Re: 10-2 à 104) suivent la loi de Forchheimer

(Madani, Bonnet 2007)

K perméabilité (m2), b passabilté (coefficient inertiel m-1)

• Indépendance de la nature des fluides (eau, air), • Prise en compte des effets de compressibilité de l’air

Impact de la structure sur les valeurs de K et b ?

Base de donnée (10 échantillons)

Alliages différents (Ni, NICR, Al, Cu), ( ©Recemat, ©ERG, ©SCPS)

Perméabilité : 1.3 10-07 à 3 10-09 m2

Taille de Pore : 500 µm à 6 mm, Porosité de 82 à 93%

F. Topin, groupe Milieu Hétérogène et Transferts, équipe TCM


Corrélation diamètre de pores / paramètres d’écoulement

• J. Vicente, J.V. Daurelle, F. Topin, L. Tadrist, Open celled material structural properties measurement : From. Morphoplogy to transport properties, Materials Transactions, vol.47, no. 9, page 2195-2202(2006)• J.P. Bonnet, F. Topin, and L. Tadrist, “Flow laws in metal foams: Compressibility and pore size effects”, Transport in Porous Media, 2008, Vol 73, N°2, p. 233-254

b : passabilté(coefficient inertiel m-1)K : perméabilité (m2)


le diamètre de pore ordre 1 de la corrélation

• Périmètre• D Cercle inscrit• D Cercle circonscrit

Le diamètre de pore, et puis après….?

• Ecoulement autour d’obstacles dans un milieu dilué : Diamètres et formes des brins

• Orientations et surface des cols

• Etude paramétrique en cours (mousses virtuelles), thèse Hugo (2012), Kumar (2014)

• Chemins préférentiels

• Identifier les brins et leurs centres

• déterminer leurs orientations

Calculer l’intersection du plan perpendiculaire au brin avec le maillage de surface…


Simulation des propriétés d’écoulement sur les images 3D

…

Porosité, surface spécifique, taille de pore, taille de cols, tortuosités

Réseau de pores Calcul des Perméabiltés


Synthèse de mousses géopolymères à porosité contrôlée : Application à la décontamination nucléaire

Nœud = jonction de 4 cellulesbrins = 3 cellulescols = 2 cellules

Caractérisation de la phase solide

Squelettisation basée sur l’extraction des cellules et la loi de plateau

• longueur des brins, écarts angulaires• connectivité• forme des brins• tortuosité sur les réseaux (Dijkstra),• tortuosité sur les images

Réseau de la phase solide

Tortuosité paramètre intuitif régissant la conductivité thermique de la phase

Simulation de la conductivité thermique des mousses


Pour chaque boite on calcule le tenseur de conductivité effective et la tortuosité (sur réseau, plan à plan)

xy

z

T1

T

2

Conductivité thermique des mousses

Géométrie simplifiée : squelette de la phase solide

Différentes informations géométriques peuvent être « glanées » le long des chemins « minimaux »

tortuositétortuosité

Co

nd

uct

ivit

é ré

du

ite

(%)

Nb branchements / unité de longueur sur les chemins minimum

épaisseur

Plan image


Plan image (XY)

Hauteur (XZ)

• Dans l’épaisseur, le nombre de connections n’est pas le même que dans le plan image

• L’allongement et l’organisation des cellules expliquent ce phénomène

• A chaque connections le flux de chaleur se réparti entre les branches

Branchements par unité de longueur sur chemins minimums

Conductivité thermique des mousses


vers le design d’absorbeurs solaires volumétriques

Centrale solaire Themis(Targassone, EDF/PROMES)

Absorbeurs volumétriques (Flux ≈ 1000 kW/m²)

ANR OPTISOL ANR–11–SEED–0009 : Optimisation de l’efficacité de conversion solaire/chaleur :

→ augmentation des températures de sortie de l’air (1100<T<1500 K),→ augmentation du rendement et de la compétitivité .→ utilisation de mousses céramiques réfractaires en α-SiC

Design d’un matériaux → Absorptance solaire élevée, faible émittance IR et faible coefficient d’extinction, et grande surface d’échange

Etablir des liens entre les propriétés texturales et les propriétés radiatives des mousses

• génération numérique de mousses à propriétés texturales maitrisées

• prédiction précise des propriétés radiatives

projet 2012 – 2015 , collaboration LTN, PROMES, CIRIMAT-LCMIE, SICAT

Propriétés radiatives des mousses


http://www.agence-nationale-recherche.fr/suivi-bilan/energie-durable/systemes-energetiques-efficaces-et-decarbones/fiche-projet-seed-2011/?tx_lwmsuivibilan_pi2%5bCODE%5d=ANR-11-SEED-0009

Etude paramétrique

Mousses « mères » (8 valeurs de PPI) :

45 à 10 PPI

× 12 valeurs de porosités…

10 PPI

96 échantillons virtuels x 8 couples d’indices optiques n et k (rm : 0.13 à 0.9)

45 PPI

Segmentation de Voronoï

Contrôle de dnom , CSD, Cm, CCDD

Ensemencement Squelette filaire Mise en forme

des brins

Contrôle final de la porosité (Dilatation successives)

tétraédrique aléatoirement

perturbé

Propriétés radiatives des mousses : générateur de matériaux


Comparaison avec modèle de Hendricks et Howell :

→ Validation pour les petits dnom et les p limitées

Ajustement du modèle de Hendricks et howell pour l ’ensemble des morphologies

Guévelou, et al., J. Porous Media, (10), 2015

Propriétés radiatives des mousses : Coefficient d’extinction C

oef

fici

ent

d’e

xtin

ctio

nb

(cm

-1)


Relation compacte permettant la prédiction de AN à partir de p, n et k.

Guevelou, et al., J. Quantitative Spectroscopy Radiative Transfer Dec. 2016

Nous avons montrés que la réflectivité est indépendante de l’angle d’incidence et dans le cas d’une surface opaque optiquement polie nous avons AN,b = 1-rN

Propriétés radiatives des mousses : réflectivité normale


GenMat : Logiciel générateur de matériaux virtuels

aléatoire

Encemensement

Tetrahedriqueperturbé

Forme des brins

controle de la porosité par croissance des structures

Exportation des maillagesde surface au format STL


Dimension

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