Modélisation numérique des procédés LCM à l’échelle des milieux homogènes équivalents en cours de déformation – intégration de la pression capillaire lors de l’infusion et équilibrage post-infusion

The LRI process consists in impregnating a fibrous preform through its thickness, under the pressure gradient created by pulling the vacuum. This out-of-autoclave process was developed to reduce manufacturing costs and ensure proper filling of large parts; hence the increasing interest of the aeronautical industry in this technique. This work, within the framework of the Hexcel-Mines Saint-Etienne Chair, aims to establish a predictive numerical tool to simulate the main physical phenomena occurring during the process at macroscale. In order to properly model the complex and multi-scale phenomena during the infusion process, a numerical approach based on finite-element method is developed to model the capillary effects during the filling stage and to model the post-filling stage. Capillary effects are represented by a capillar stress tensor acting at the bi-fluid interface of the flow modelled by Darcy's equations. By generating a pressure jump, it requires a local pressure enrichment of the elements crossed by the fluid front. The results are validated with a convergence analysis and a confrontation with experimental data. The model is adapted to the mesoscale to simulate the flow through the tows. A first approach of post-filling stage modeling is proposed, which describes the interaction between the preform deformation and the resin flow after the filling. Modeling this stage allows to study the influence of fluid-solid coupling on the final part regarding the dimensional tolerances, and to predict the evolution of the fibre volume fraction which determines the part mechanical properties. The first simulation tests reveal a high potential for industrial simulators.Le procédé par infusion de résine liquide consiste à imprégner un renfort fibreux à travers son épaisseur, sous l’effet d’un gradient de pression créé par la mise sous vide du système. Ce procédé hors autoclave, a été mis au point afin de réduire les coûts de fabrication et de stockage des matériaux et assurer un bon remplissage des pièces de grandes dimensions ; d’où l’intérêt grandissant de l’industrie aéronautique pour cette technique. Ces travaux de thèse, dans le cadre de la Chaire Hexcel-Mines Saint-Etienne visent à établir un outil numérique robuste et prédictif pour simuler à l’échelle de la structure élaborée les principaux phénomènes physiques apparaissant pendant le procédé. Afin de mieux représenter ces phénomènes complexes multi-physiques, et multi-échelles lors de l’élaboration, une nouvelle approche numérique basée sur la méthode éléments-finis est développée pour modéliser d’une part les effets capillaires lors de la phase critique d’infusion, et d’autre part les écoulements post-infusion durant la phase de rééquilibrage. A l’échelle macroscopique, les effets capillaires sont représentés par un tenseur de contraintes capillaires agissant à l’interface bi-fluide de l’écoulement modélisé par les équations de Darcy. Le modèle est aussi adapté à l'échelle mésoscopique afin de simuler l’écoulement dans des torons de fibres. Une première approche de la modélisation de l'étape de post-infusion qui décrit la forte interaction entre la déformation de la préforme et l’écoulement de résine à la fin du remplissage, est ensuite propose.L’intégration de la modélisation de cette phase présente un premier pas vers les simulateurs dans un contexte industriel

no english title

Le procédé par infusion de résine liquide consiste à imprégner un renfort fibreux à travers son épaisseur, sous l’effet d’un gradient de pression créé par la mise sous vide du système. Ce procédé hors autoclave, a été mis au point afin de réduire les coûts de fabrication et de stockage des matériaux et assurer un bon remplissage des pièces de grandes dimensions ; d’où l’intérêt grandissant de l’industrie aéronautique pour cette technique. Ces travaux de thèse, dans le cadre de la Chaire Hexcel-Mines Saint-Etienne visent à établir un outil numérique robuste et prédictif pour simuler à l’échelle de la structure élaborée les principaux phénomènes physiques apparaissant pendant le procédé. Afin de mieux représenter ces phénomènes complexes multi-physiques, et multi-échelles lors de l’élaboration, une nouvelle approche numérique basée sur la méthode éléments-finis est développée pour modéliser d’une part les effets capillaires lors de la phase critique d’infusion, et d’autre part les écoulements post-infusion durant la phase de rééquilibrage. A l’échelle macroscopique, les effets capillaires sont représentés par un tenseur de contraintes capillaires agissant à l’interface bi-fluide de l’écoulement modélisé par les équations de Darcy. Le modèle est aussi adapté à l'échelle mésoscopique afin de simuler l’écoulement dans des torons de fibres. Une première approche de la modélisation de l'étape de post-infusion qui décrit la forte interaction entre la déformation de la préforme et l’écoulement de résine à la fin du remplissage, est ensuite propose.L’intégration de la modélisation de cette phase présente un premier pas vers les simulateurs dans un contexte industriel.The LRI process consists in impregnating a fibrous preform through its thickness, under the pressure gradient created by pulling the vacuum. This out-of-autoclave process was developed to reduce manufacturing costs and ensure proper filling of large parts; hence the increasing interest of the aeronautical industry in this technique. This work, within the framework of the Hexcel-Mines Saint-Etienne Chair, aims to establish a predictive numerical tool to simulate the main physical phenomena occurring during the process at macroscale. In order to properly model the complex and multi-scale phenomena during the infusion process, a numerical approach based on finite-element method is developed to model the capillary effects during the filling stage and to model the post-filling stage. Capillary effects are represented by a capillar stress tensor acting at the bi-fluid interface of the flow modelled by Darcy's equations. By generating a pressure jump, it requires a local pressure enrichment of the elements crossed by the fluid front. The results are validated with a convergence analysis and a confrontation with experimental data. The model is adapted to the mesoscale to simulate the flow through the tows. A first approach of post-filling stage modeling is proposed, which describes the interaction between the preform deformation and the resin flow after the filling. Modeling this stage allows to study the influence of fluid-solid coupling on the final part regarding the dimensional tolerances, and to predict the evolution of the fibre volume fraction which determines the part mechanical properties. The first simulation tests reveal a high potential for industrial simulators

Numerical modeling of local capillary effects in porous media as a pressure discontinuity acting on the interface of a transient bi-fluid flow

International audienceTransient flows through porous media can be controlled by local capillary forces. In an attempt to ease the representation of these complex multi-scale flows, this article presents a new numerical approach to account for these local forces, viewed as a global pressure discontinuity acting in bi-fluid flows through smeared-out porous media. A finite element discretization of the Darcy’s equations is considered and a pressure enriched space is locally introduced at the fluid interface in order to capture the pressure discontinuity. Then, a Variational Multiscale Stabilization (VMS) method is selected to take into account the subgrid effects on the finite element solution and hence ensure the consistency of the finite element formulation. The fluid front is represented by a level set function, convected with the fluid velocity thanks to a finite element scheme stabilized with a Streamline-Upwind/Petrov-Galerkin (SUPG) method. Both convergence and implementation are first validated with the Method of Manufactured Solution (MMS) and the model shows a good convergence. Second, a comparison with experimental measurements in the case of capillary wicking of water into carbon reinforcements shows a very good correlation between experimental and numerical results

Approche multi-échelle pour la simulation numérique de procédés d'élaboration directe par infusion de résine

International audienceThe aim of the present work, which lies at the heart of the Hexcel-Mines Saint-Etienne Industrial, is to set up numerical modeling tools ranging from the component scale (local or microscopic scale) to the process scale (macroscopic scale), based on fluid-solid coupling methods undergoing finite strains within an high performing computing framework. At the local scale, the aim is to model flows in the fibrous network of preforms where wettability and capillary effects are assumed to play a key role. First, at the fiber scale, the resin flow in impervious fiber systems will be characterized and modeled relying on some specific stabilized and enrichment numerical methods able to deal with coupled Stokes-Darcy flows in low permeability orthotropic media. Capillary effects will be included in numerical simulations of local flows in industrial parts with complex geometries via capillary pressures (capillary stress). The ultimate goal of this approach is to yield a robust numerical model for infusion processes at the scale of industrial parts in order to understand and hence control both filling and post-filling stages for industrial applications.Le but de ce travail, qui représente le cœur de la chaire industrielle entre Mines Saint-Etienne et Hexcel, est de mettre au point un chaînage numérique robuste pour prendre en compte les effets locaux d’imprégnation de fibres par une résine liquide dans des simulations à l’échelle du procédé. Les effets locaux sont donc modélisés à l’échelle des fibres pour capturer les effets capillaires et calculer ainsi des paramètres, tels que la pression capillaire, à exporter à l’échelle supérieure. Ceci a été rendu possible par des stabilisations et enrichissements des méthodes éléments finis utilisés pour simuler des écoulements de Stokes et Darcy ainsi que leur couplage. Les contraintes capillaires (pressions capillaires dans les directions principales) sont alors inclues dans les simulations d’élaboration par procédés directs de pièces aéronautiques. Le but ultime de cette approche est de développer un modèle robuste permettant de prédire l’imprégnation et la post-infusion de renfort fibreux pour des applications industrielles

Effects of a bacterivorous nematode on rice 32 P uptake and root architecture in a high P-sorbing ferrallitic soil

International audienceSoil bacterivorous nematodes are key plant mutualists that increase nutrient availability for plants either by enhancing the mineralization of organic compounds (the “mineralization pathway”) or by increasing plant lateral root branching following shifts in internal plant metabolism, and subsequently leading to a higher volume of soil prospected by the roots (the “hormonal pathway”). The effects of these organisms on the nutrition of plants growing in strongly nutrient-deficient ferrallitic soils, especially in soils with limited available inorganic phosphorus (P), are poorly known, as are the pathways involved. In our study, using Oryza sativa (Poaceae) and Acrobeloides sp. (Cephalobidae), we tested the “mineralization” and “hormonal” hypotheses in an acidic P-depleted Ferralsol from the Madagascar highlands. We assessed the effect of nematode inoculation on (i) inorganic P flow from soil to plant using the 32P labelling technique and (ii) plant root architecture using a rhizobox device. We showed that the ability of Acrobeloides sp. to enhance P uptake in plants is strongly limited in Ferralsols. However, when the soil pH was corrected with dolomite, Acrobeloides sp. increased plant P uptake probably through the “mineralization” pathway (higher microbial turnover). Indeed, the L-value increased by 49% in the presence of nematodes and dolomite, suggesting the production of unlabelled plant-available P, probably through a higher net P mineralization when the nematodes were inoculated. Using the rhizobox technique, we also observed increased root length in the presence of nematodes but the specific root length, the tip number and the root branching density did not increase in the presence of nematodes, suggesting that nematodes did not increase plant P uptake and growth in this soil as proposed by the “hormonal” hypothesis. From an ecological intensification perspective, to promote agro-ecological development in tropical regions, our results suggest that amending ferrallitic soils with P-rich organic matter and correcting soil pH with an appropriate amount of dolomite may constitute suitable agronomic actionable triggers to drive the mutualistic activity of bacterivorous nematodes