Cette thèse étudie l’utilisation du dioxyde de carbone supercritique (sCO2) comme assistance au refroidissement pour le perçage du Ti-6Al-4V. Cet alliage, utilisé en aéronautique, reste difficile à usiner en raison de sa faible conductivité thermique et de sa résistance mécanique élevée. En perçage, la zone de coupe est confinée, l’évacuation des copeaux et l’accès au refroidissement sont limités. Des modèles existants estiment l’apport thermique généré pendant le procédé en fonction des paramètres de perçage et du nombre de tours de l’outil. Cette charge accumulée sert de référence pour évaluer le flux que l’assistance sCO2 doit extraire. La capacité de refroidissement effective dépend de l’état en sortie, du débit massique, de la densité, de la taille du jet, de la position des canaux de lubrification, de la distance jet-surface et de l’interaction locale avec la surface sollicitée.
Ce travail vise à identifier les paramètres physiques qui gouvernent la structure et la capacité de refroidissement d’un jet de sCO2 en expansion. L’étude combine calculs thermodynamiques en gaz réel, visualisations Schlieren, thermographie infrarouge et analyse inverse du transfert thermique. Des jets libres sont d’abord étudiés avec un capillaire court, pour lequel les pertes de charge sont négligeables et l’état en sortie proche de l’état amont imposé. Le jet se développe comme un écoulement fortement sous-détendu, avec éventail de détente, choc en tonneau, disque de Mach, chocs réfléchis, couche de cisaillement, cœur potentiel et région turbulente. Les résultats montrent que le débit massique et la densité du CO2 contrôlent la taille du jet, les cellules de choc, l’extension de l’écoulement et la surface atteinte et refroidie.
Le jet est ensuite étudié en impact sur une plaque de titane chauffée. Les visualisations Schlieren montrent que la distance jet-surface modifie l’interaction entre la plaque et la structure interne de chocs. Selon cette distance, la surface peut interagir avec le jet turbulent développé, le cœur potentiel, la région du disque de Mach ou une structure contrainte de type disque de plaque. La thermographie infrarouge permet de mesurer le champ de température transitoire et d’identifier le coefficient local de transfert thermique. Le flux extrait est interprété à partir du HTC local et de la force motrice thermique entre la surface et le jet de CO2 détendu. L’effet de refroidissement ne peut donc pas être évalué à partir du seul HTC ; il dépend aussi des températures de surface et de jet, de l’état de phase, du mélange turbulent, de la surface refroidie et de sa position par rapport au jet.
Enfin, des configurations proches du perçage sont étudiées avec de longs capillaires en acier inoxydable représentatifs de canaux internes de lubrification et une cible cylindrique confinée en Ti-6Al-4V. Dans ce cas, les pertes de charge par frottement modifient la pression, la température, la densité, la vitesse, le débit massique et l’état de phase avant expansion. Un modèle unidimensionnel d’écoulement compressible en gaz réel calcule l’évolution de l’écoulement dans le capillaire à partir des conditions d’entrée et des paramètres du canal. Les résultats montrent que la longueur, le diamètre, la rugosité et la géométrie des canaux gouvernent l’état effectif en sortie, qui contrôle ensuite l’expansion externe, l’empreinte du jet et la capacité de refroidissement.
Dans l’ensemble, cette thèse montre que le perçage assisté par sCO2 ne peut pas être optimisé uniquement par le choix de la pression et de la température amont. La performance résulte du couplage entre génération thermique du perçage, pertes de charge, état en sortie, débit massique, densité, morphologie du jet sous-détendu, évolution de phase, distance jet-surface et transfert thermique local. Ce travail fournit des données expérimentales et une méthodologie prédictive pour concevoir de futurs systèmes d’alimentation en sCO2 et étudier la localisation de l’expansion.
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This thesis investigates the use of supercritical carbon dioxide (sCO2) as a cooling assistance for the drilling of Ti-6Al-4V. This titanium alloy is widely used in aeronautical applications, but its low thermal conductivity and high mechanical strength make it difficult to machine. In drilling, the cutting zone is confined, chip evacuation is limited and access for cooling is restricted. Existing drilling models can estimate the thermal input generated during the process as a function of drilling parameters and the number of tool revolutions. This accumulated heat load provides a reference for evaluating the cooling flux to be removed by sCO2 assistance. The effective cooling capacity of the jet is governed by the outlet thermodynamic state, mass flow rate, density, jet size, lubrication-channel position, jet-to-surface distance, and local interaction with the heat-loaded surface.
This work aims to identify the physical parameters governing the structure and cooling ability of an expanding sCO2 jet under drilling-like conditions. The study combines real-gas thermodynamic calculations, Schlieren visualization, infrared thermography and inverse heat-transfer analysis. First, free-expanded jets are studied using a short capillary, for which pressure losses are negligible and the outlet state is close to the imposed upstream state. The jet develops as a highly underexpanded flow, characterized by an expansion fan, barrel shock, Mach disk, reflected shocks, shear layer, potential core and turbulent region. The results show that mass flow rate and CO2 density control the jet size, shock-cell dimensions and spatial extent of the flow. These quantities are therefore not only indicators of fluid consumption, but also key parameters controlling the surface reached and cooled by the jet.
The jet is then investigated in an impinging configuration on a heated thin titanium plate. Schlieren imaging shows that the jet-to-surface distance modifies the interaction between the plate and the internal shock structure. Depending on this distance, the surface can interact with the developed turbulent jet, the potential core, the Mach disk region or a constrained plate-disk structure. Infrared thermography is used to measure the transient temperature field and to identify the local heat transfer coefficient. The extracted heat flux is interpreted from both the local HTC and the thermal driving force between the surface and the expanded CO2 jet. The cooling effect cannot be assessed from HTC alone; it also depends on surface temperature, jet temperature, phase state, turbulent mixing, cooled area and surface position relative to the jet structure.
Finally, drilling-like configurations are studied by replacing the short capillary with long stainless-steel capillaries representative of internal lubrication channels and by using a confined cylindrical Ti-6Al-4V target. In this case, friction-induced pressure losses modify the outlet pressure, temperature, density, velocity, mass flow rate and phase state before expansion. A one-dimensional real-gas compressible-flow model is developed to calculate the flow evolution inside the capillary from inlet conditions and channel parameters. The results show that channel length, diameter, roughness and geometry govern the effective outlet state, which then controls the external expansion, jet footprint and cooling capacity.
Overall, this thesis shows that sCO2-assisted drilling cannot be optimized only by selecting upstream pressure and temperature. Cooling performance results from the coupling between drilling heat generation, pressure losses, outlet state, mass flow rate, density, underexpanded jet morphology, phase evolution, jet-to-surface distance and local heat transfer. The work provides experimental data and a predictive methodology to support the design of future sCO2 delivery systems, including the question of whether expansion should occur before the drill outlet or directly at the tool exit. |