ETUDE NUMERIQUE DE LA CONVECTION THERMIQUE LORS DE LA CROISSANCE CRISTALLINE

Abstract

Dans cette thèse, une étude numérique de la convection thermique d’un métal liquide au cours de la croissance cristalline a été présentée. Trois modèles physiques sont considérés : une cavité similaire à celle de Czochralski, pour la convection mixte axisymétrique, une autre similaire à celle de Bridgman vertical pour la convection naturelle axisymétrique, et une tridimensionnelle pour la convection mixte dans une cavité de type Czochralski. Un champ magnétique externe uniforme de différentes intensités et orientations est appliqué sur les modèles physiques afin de stabiliser l’écoulement et éliminer les instabilités convectives. Un code de calculs propre basé sur la méthode des volumes finis est utilisé pour la résolution des équations de conservation des problèmes axisymétriques, et pour la convection mixte tridimensionnelle, le code commercial FLUENT est utilisé dans les simulations. Les résultats obtenus montrent un bon accord avec ceux des travaux numériques et expérimentaux. Pour la convection mixte axisymétrique dans une cavité de type Czochralski, l’effet du nombre de Richardson (Ri), du rapport d’aspect (Ar) et du champ magnétique (Ha) sur le champ d’écoulement sont présentés et discutés. Nous avons trouvé que l’augmentation du Ri déstabilise l’écoulement et provoque la diminution du taux de transfert thermique, et que la forte stabilisation de l’écoulement se manifeste pour un grand allongement de la cavité (Ar = 3). Nous avons trouvé également, que l’augmentation du Ha entraîne une augmentation du nombre de Reynolds critique (Recr), et cause des changements remarquables sur la structure de l’écoulement, et que la forte stabilisation magnétique se trouve pour un champ magnétique appliqué suivant la direction radiale. Pour la convection naturelle dans une cavité de type Bridgman vertical, l’effet du nombre de Grashof (Gr), l’inclinaison du cylindre (φ) et le champ magnétique Ha sur le champ d’écoulement sont présentés et discutés. Nous avons trouvé que l’augmentation du Gr déstabilise l’écoulement et augmente considérablement le taux de transfert thermique. Nous avons trouvé aussi que l’inclinaison du cylindre a un effet très important sur la stabilisation de l’écoulement et que la forte stabilisation se trouve pour l’angle d’inclinaison φ = 30°. Le champ magnétique a un effet très important dans la direction radiale δ = 0°, et la combinaison entre l’inclinaison du cylindre φ et l’orientation du champ magnétique δ, donne des résultats importants sur le contrôle de la convection naturelle. Alors, il facilite la stabilisation de l’écoulement par plusieurs méthodes, soit par l’inclinaison du cylindre, soit par l’orientation du champ magnétique, soit par la combinaison entre les deux. Pour la convection mixte tridimensionnelle dans une cavité de type Czochralski. Nous avons trouvé que l’intensité du champ d’écoulement dépend fortement du Ri. Et que l’application du champ magnétique provoque un changement remarquable sur la structure d’écoulement et ralentisse la transition, par conséquent, stabilise l’écoulement convectif. Mots clés : Convection thermique, Métal liquide, Croissance cristalline, Champ magnétique, Stabilité, Méthode des volumes finis. Résum