Heat conduction in silica aerogels, from autosimilar nanoporous media to grain packings
Transferts conductifs dans des aérogels de silice, du milieu nanoporeux autosimilaire aux empilements granulaires
Résumé
Silica aerogels are nanoporous materials with extraordinary physical properties. Their thermal performance may be interesting for the building superinsulation. A detailed study of heat conduction through these media has been performed numerically and experimentally.
Monolithic aerogels are autosimilar materials constituted of air in the nanopores and of tortuous solid skeleton. Heat conduction modeling with the heat diffusion equation in two dimensions has been realized using original geometries representing the internal structure. Several types of geometries have been tested. The best compromise is achieved by periodic patterns constructed from Von Koch snowflakes which are deterministic fractals.
From the results obtained at the nanopore scale, heat conduction of regular grain packing has been studied at macroscopic scale and in two dimensions. The original approach is based on the analytical calculus of the thermal contact resistance taken into account in the numerical model. A parametric analysis is then realized using a method of experiment plans.
Finally, experiments based on a method of guarded thin hot film are made in order to compare with numerical results for monolithic and granular silica aerogels. The thermal characterization of samples as a function of air pressure in the pores and of the external force is possible.
Monolithic aerogels are autosimilar materials constituted of air in the nanopores and of tortuous solid skeleton. Heat conduction modeling with the heat diffusion equation in two dimensions has been realized using original geometries representing the internal structure. Several types of geometries have been tested. The best compromise is achieved by periodic patterns constructed from Von Koch snowflakes which are deterministic fractals.
From the results obtained at the nanopore scale, heat conduction of regular grain packing has been studied at macroscopic scale and in two dimensions. The original approach is based on the analytical calculus of the thermal contact resistance taken into account in the numerical model. A parametric analysis is then realized using a method of experiment plans.
Finally, experiments based on a method of guarded thin hot film are made in order to compare with numerical results for monolithic and granular silica aerogels. The thermal characterization of samples as a function of air pressure in the pores and of the external force is possible.
Les aérogels de silice sont des matériaux nanoporeux ayant des propriétés physiques remarquables. Leur performance thermique pourrait intéresser le domaine de la superisolation des bâtiments. Une étude approfondie des transferts conductifs dans ces milieux a été menée numériquement et expérimentalement.
Sous forme monolithique, les aérogels de silice sont des matériaux autosimilaires constitués d'air piégé dans des nanopores et qui présentent une grande tortuosité du squelette solide. La modélisation des transferts conductifs à partir de l'équation de diffusion thermique en deux dimensions a été réalisée sur des géométries originales et représentatives de la structure interne. Plusieurs types de géométries ont été testés. Celles qui donnent le meilleur compromis sont des pavages périodiques dont l'élément générateur est un flocon de Von Koch, fractale déterministe.
A partir des résultats obtenus sous forme monolithique à l'échelle du pore, les transferts conductifs d'empilements granulaires réguliers ont été étudiés à l'échelle macroscopique et en deux dimensions. L'approche originale vient de la prise en compte de la résistance de contact entre les grains dans le modèle numérique. Une analyse paramétrique est alors proposée en utilisant la méthode des plans d'expériences.
Afin de confronter les résultats des modélisations numériques pour les matériaux sous forme monolithique et granulaire, un dispositif expérimental du film chaud, mince et gardé a été mis en place. Il permet de caractériser la conductivité thermique et d'analyser son comportement en fonction de la pression de l'air dans les pores et de la force exercée sur l'échantillon.
Sous forme monolithique, les aérogels de silice sont des matériaux autosimilaires constitués d'air piégé dans des nanopores et qui présentent une grande tortuosité du squelette solide. La modélisation des transferts conductifs à partir de l'équation de diffusion thermique en deux dimensions a été réalisée sur des géométries originales et représentatives de la structure interne. Plusieurs types de géométries ont été testés. Celles qui donnent le meilleur compromis sont des pavages périodiques dont l'élément générateur est un flocon de Von Koch, fractale déterministe.
A partir des résultats obtenus sous forme monolithique à l'échelle du pore, les transferts conductifs d'empilements granulaires réguliers ont été étudiés à l'échelle macroscopique et en deux dimensions. L'approche originale vient de la prise en compte de la résistance de contact entre les grains dans le modèle numérique. Une analyse paramétrique est alors proposée en utilisant la méthode des plans d'expériences.
Afin de confronter les résultats des modélisations numériques pour les matériaux sous forme monolithique et granulaire, un dispositif expérimental du film chaud, mince et gardé a été mis en place. Il permet de caractériser la conductivité thermique et d'analyser son comportement en fonction de la pression de l'air dans les pores et de la force exercée sur l'échantillon.
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