Sujet :

Modélisation du transfert thermique couplé conducto-radiatif dans les milieux hétérogènes

Contexte :

La modélisation des transferts thermiques dans les matériaux isolants à hautes températures est une activité de recherche exigeante pour plusieurs raisons :

• les microstructures des matériaux envisagés sont en général complexes (enchevêtrements de fibres de matériaux réfractaires par exemple),
• ces matériaux sont en général très poreux et donc présentent un comportement semi-transparent vis-à-vis du rayonnement thermique,
• le transfert de chaleur au sein de ces matériaux résulte, tout particulièrement à hautes températures, d’un couplage fort entre conduction et rayonnement, phénomènes dont les caractéristiques effectives (conductivité et propriétés radiatives) dépendent fortement de l’arrangement microstructural et de la composition et sont difficiles à déterminer.

Dans ce travail de thèse, nous proposons de poursuivre des activités engagées lors d’une thèse précédente concernant le développement de techniques de modélisation du couplage conducto-radiatif au sein d’agencements matériels réalistes (par exemple issus de tomographies de matériaux réels) par des procédés entièrement stochastiques : marcheurs browniens pour simuler la conduction d’une part, lancer de rayons pour simuler le rayonnement en milieu non beerien d’autre part. Ces techniques suscitent un vif intérêt car elles évitent le maillage du matériau étudié et sont très économes en termes de mémoire informatique.

Objectif de la thèse :

Dans un premier temps, il s’agira de s’approprier les acquis des travaux antérieurs :

• simulation du transfert radiatif par lancer de rayons dans des structures matérielles beeriennes puis non beeriennes (telles que les structures fibreuses évoquées plus haut),
• simulation du transfert conductif par marcheurs browniens dans ces mêmes structures.

Le couplage conducto-radiatif sera réalisé par itération entre ces deux modules de calcul, le champ de température alimentant le terme d’émission dans le problème radiatif, et le champ de luminance se traduisant par l’apparition d’un terme source de puissance volumique radiative dans le bilan d’énergie. Ces activités nous amèneront à revisiter quelques problèmes non encore parfaitement élucidés à ce jour (matériaux hétérogènes dont les constituants présentent de forts contrastes de propriétés thermophysiques – certaines conditions aux frontières – puissance volumique à valeurs fortement négatives – liste non exhaustive). Un travail d’optimisation informatique sera également entrepris afin de rendre les procédures de calcul stochastique plus rapidement convergentes. L’objectif final de ce travail est d’aboutir à une chaîne de simulation numérique complète du couplage conducto-radiatif dans des milieux matériels de microstructures précisément décrites et représentatives des matériaux envisagés comme isolants thermiques à hautes températures.

Déroulement de la thèse :

Les travaux de thèse bénéficieront des travaux antérieurs sur cette thématique qui ont déjà été menés.
Après avoir étudié la simulation du transfert radiatif par lancer de rayons sur des matériaux modèles comme des structures fibreuses, le travail portera sur la simulation du transfert conductif par marcheurs browniens dans ces mêmes structures. Enfin, la dernière partie du travail consistera à coupler les deux approches de simulation précédentes et ainsi aboutir à un modèle complet conducto-radiatif applicable à des matériaux isolants thermiques haute performance.
Le(a) candidat(e) devra avoir de solides connaissances en énergétique et un goût affirmé pour l’algorithmique et la simulation numérique.

Directeur de thèse et école doctorale :

ENGUEHARD Franck
franck.enguehard@univ-poitiers.fr
ED – Science et Ingénierie des Matériaux, Mécanique, Energétique

Encadrant :

ROCHAIS Denis (Co-directeur de thèse)
CEA/Le Ripault – BP 16 – 37260 monts
Tél. : 02 47 34 40 00 – denis.rochais@cea.fr