Missions

Chercheur en mécanique des fluides numériques et transferts thermiques

Activités

Les différentes tâches prévues dans ce travail sont :
1. Une étude bibliographique et la prise en main des outils numériques.
2. Le développement des simulations pour un tube isolé.
3. La confrontation des résultats de Neptune_CFD à la base de données expérimentales et à des résultats de simulations effectuées avec Fluent.
4. Une étude paramétrique de la géométrie de l’échangeur pour optimiser son fonctionnement.
5. La valorisation des résultats de l’étude.

Compétences

Nous recherchons un ou une docteur en mécanique des fluides numériques ou en énergétique avec un fort attrait pour la modélisation. Une expérience des calculs HPC et d’un langage de programmation (C/C++/Python) est requise.

Contexte de travail

Les lits fluidisés possèdent des caractéristiques exceptionnelles en termes de transport et de mélange. Ils tirent notamment profit de l’efficacité de la mise en contact entre la phase dispersée et le milieu gazeux, de l’inertie thermique de la phase particulaire et de leurs excellentes capacités de transfert aux parois. Ces caractéristiques les rendent omniprésents dans le domaine de l’énergie, notamment pour le développement de procédés innovants répondant aux enjeux de la transition énergétique.
Les lits fluidisés gaz-solides sont étudiés au laboratoire PROMES comme une alternative aux fluides caloporteurs actuels utilisés pour transporter la chaleur obtenue à partir du rayonnement solaire dans les centrales solaires à concentration. Ces travaux ont notamment été portés par les projets européens CSP2, Next-CSP et actuellement P2P [1–4].
Dans ce procédé, le rayonnement solaire est concentré sur des tubes verticaux au sein desquels circule un mélange gaz-particules (dispositif similaire à un lit fluidisé circulant mais pour des suspensions gaz-particules plus denses). Le lit fluidisé sert ici de fluide caloporteur, transportant la chaleur jusqu'à un stockage thermique. Les particules sont ensuite injectées dans un échangeur où elles cèdent leur énergie au fluide de travail du cycle thermodynamique (turbine à air ou à CO₂ supercritique). Cet échangeur est constitué de plusieurs compartiments à températures différentes. Le fluide de travail circule à contre-courant des particules dans des tubes immergées dans les lits fluidisés successifs.
La compréhension et la maîtrise des régimes d’écoulement et des transferts thermiques associés dans les lits fluidisés restent actuellement des verrous scientifiques pour le développement de cette technologie. Les couplages entre la dynamique, la thermique, le caractère diphasique de l’écoulement, les effets de paroi et les collisions rendent la physique particulièrement complexe.
L'objectif de ce post-doctorat est de mettre en place des simulations Euler-Euler à l’échelle locale, de l'échange de chaleur entre le lit fluidisé et les tubes dans lesquels circule le fluide de travail du cycle thermodynamique. Elles seront réalisées avec le logiciel Neptune_CFD. Une étude paramétrique de la géométrie de l’échangeur (positionnement des tubes) permettra ensuite d'optimiser son fonctionnement. Des confrontations aux données expérimentales issues des différents projets européens permettront d'évaluer la fiabilité de la modélisation des flux de chaleur pariétaux. Au besoin, de nouvelles formulations pourront être proposées.

Bibliographie :
[1] Next-CSP (2020) and Powder2power. High Temperature Concentrated Solar Thermal Power Plant with Particle Receiver and Direct Thermal Storage.
[2] R. Gueguen, G. Sahuquet, S. Mer, A. Toutant, F. Bataille, G. Flamant. Fluidization regimes of dense suspensions of Geldart group A fluidized particles in a high aspect ratio column. Chemical Engineering Sience, 2023
[3] R. Gueguen, S. Mer, A. Toutant, F. Bataille, G. Flamant. Effect of temperature on the hydrodynamics of a fluidized bed circulating in a long tube for a solar energy harvesting application. Chemical Engineering Sience, 2023
[4] F.Sabatier, R. Ansart, Z. Huili, J. Baeyens, O. Simonin. Experiments support simulations by the NEPTUNE_CFD code in an Upflow Bubbling Fluidized Bed reactor. Chemical Engineering Journal, 2020

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