Exprimental and numerical study of thermomechanical phenomena during food freezing. Application to multi-layer structures.

Étude expérimentale et numérique des phénomènes thermomécaniques lors de la congélation de produits alimentaires. Application à des structures multicouches.

Brice Tremeac (1)

1 GEPEA - Laboratoire de génie des procédés - environnement - agroalimentaire

This PhD concerns the characterization of the thermal and mechanical properties for a model food : Tylose and a real food: chocolate; and a numercial simulation of the thermal and mechanical phenomena during freezing. The experimental study (static and dynamic tests) showed the influence of the ice's formation on the mechanical properties during freezing. The numerical study (finite element) was done for three cases: a layer of Tylose in Cartesian coordinates and two two-layers in Cartesian and cylindrical coordinates. Simulations show a stress, during freezing, in compression at the crystallization temperature and in tension after 90% ice formed. This complex stress can produce fractures. Futhermore, the global displacement of the sample during freezing is a new parameter for the optimization and the control of the process. Strong stresses at the interfaces can be also produce cracks at the surface of the product.

Cette thèse s'articule autour de la caractérisation des propriétés thermophysiques et mécaniques d'un produit modèle : la Tylose et d'un produit alimentaire: le chocolat, ainsi qu'une modélisation du couplage thermique-mécanique en cours de congélation. L'étude expérimentale (en statique et en dynamique) a mis en évidence l'influence de la formation de glace sur la variation des propriétés mécaniques en fonction de la température. L'étude numérique a été réalisée sur une géométrie simple (plaque de Tylose) et sur deux géométries bicouches (plaque et cylindre), en éléments finis. Les simulations ont mis en évidence une contrainte parallèle au flux thermique qui engendre au sein de la structure une compression (proche de la température de cristallisation) suivi d'une tension (après l'apparition de 90% de glace). Cette contrainte complexe pourra engendrer l'apparition de fissures au sein du produit. De plus, le champ de déformation globale peut être utilisé comme un nouveau paramètre de contrôle et d'optimisation de la congélation. La présence de fortes contraintes aux interfaces peut également engendrer la création de fissures.

Mots clés: thermomechanical; traction; numerical simulatios; food product; freezing

Mots clés: thermomécanique; DMTA; banc de traction; simulations numeriques; agroalimentaire; congélation

Domaines: Génie des procédés

Brice Tremeac. Étude expérimentale et numérique des phénomènes thermomécaniques lors de la congélation de produits alimentaires. Application à des structures multicouches.. Génie des procédés. Université de Nantes, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00378026⟩