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Doctorant H/F Etude théorique de la coupure moyenne et haute tension par arc dans le vide

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : vendredi 9 décembre 2022

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Informations générales

Référence : UMR5213-STETRI-024
Lieu de travail : TOULOUSE
Date de publication : vendredi 18 novembre 2022
Nom du responsable scientifique : Thèse en codirection : Jean-Jacques GONZALEZ Directeur de Recherche / Pierre FRETON Professeur des Universités
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 février 2023
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

L'objectif principal de la thèse consistera à mettre en place, un modèle numérique temporel, tridimensionnel décrivant le milieu plasma comme un fluide à deux températures. Un premier modèle a déjà été développé au sein de l'équipe AEPPT à partir « d'User Defined Funcions » associées au logiciel Ansys Fluent (développées en langage C). Dans un premier temps, le doctorant pourra donc s'appuyer sur cette base, puis dans un second temps l'étayer et l'améliorer à partir d'une bibliographie ciblée sur le sujet.
Bien que cette technologie de coupure existe depuis de nombreuses années, peu de travaux sont présents dans la littérature. Cependant le/la candidat(e) pourra s'appuyer sur l'expertise de l'équipe et sur celle du partenaire industriel [1-6].
Déroulé de la thèse
La thèse sera localisée au LAPLACE à Toulouse dans l'équipe AEPPT. Le doctorant sera en contact rapproché avec ses encadrants et le partenaire industriel. Il sera notamment en charge de présenter les avancées de ses travaux lors des réunions qui auront lieu à minima tous les six mois.
Concernant le déroulé, la thèse débutera par une revue bibliographique sur le sujet et la prise en main du modèle CFD déjà développé par l'équipe AEPPT.
D'un point de vue physique, suivant le niveau de l'intensité dans la cellule (et donc de la densité de courant deux régimes peuvent exister) : l'un subsonique (Densité de courant supérieure à 3000 kA/m2), l'autre supersonique. Aujourd'hui, le modèle mis en place ne décrit que le régime subsonique. L'étudiant aura en charge d'améliorer l'existant afin qu'il décrive les deux régimes et la transition entre les deux régimes. D'autres améliorations issues de l'étude bibliographique pourront être envisagées. Dans cette phase, le modèle sera appliqué à une géométrie simplifiée afin de tester sa capacité à retranscrire correctement les phénomènes physiques (température des électrons, des ions, vitesse, pression). Une étude de l'influence des paramètres (intensité, dimensions des électrodes, valeur du champ magnétique, etc.) sera réalisée.
Dans un second temps, une fois le modèle développé et validé avec les résultats expérimentaux disponibles chez le partenaire industriel et dans la littérature, une géométrie réelle (plus complexe) sera envisagée. Différentes formes d'électrodes seront étudiées ainsi que les mouvements d'écartement et de rotation des électrodes.

[1]F. Reichert, J.J. Gonzalez and P. Freton, “Modelling and simulation of radiative energy transfer in high voltage circuit breaker”, J. Phys. D: Appl. Phys. 45 (2012) 375201 (11pp)
[2] J.J. Gonzalez, P. Freton, F. Reichert, D. Randrianarivao, “Turbulence and magnetic field calculations in high voltage circuit breakers, IEEE Transactions on Plasma Science, ID TPS5280.R1 (2012)
[3] J.J. Gonzalez, P. Freton, P. Reichert, A. Pechanka, “PTFE vapor contribution to pressure changes in high voltage circuit breakers” IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 43, Issue: 8, (2015).
[4] A. Petchanka, F. Reichert, J.J. Gonzalez and P. Freton, “Modelling of deformation of PTFE nozzles in high voltage circuit breaker due to multiple interruptions”, J. Phys. D: Appl. Phys. 49 (2016) 135201
[5] F. Reichert, A. Petchanka, P. Freton and J.J. Gonzalez, “Studies on the Thermal Re-ignition in SF6 High-Voltage Circuit-Breakers by means of Coupled Simulation” Plasma Physics and Technology journal, vol 2, ISSN: 2336-2626 (2015)
[6] E. Schade and D. L. Shmelev, Numerical Simulation of High-Current Vacuum Arcs With an External Axial Magnetic Field, IEEE Trans. Plasma Sci. 31, 890 2003

Contexte de travail

Ce sujet rentre dans le cadre d'une collaboration de longue date (plus de 15 ans) entre la Société Siemens Energy de Berlin et l'équipe AEPPT du laboratoire LAPLACE. Forts de l'expérience acquise [1-5] dans le domaine des disjoncteurs haute tension et des avancées technologiques amenées par les études précédentes, la Société Siemens Energy et le laboratoire LAPLACE désirent à présent progresser dans le domaine de la coupure par arc dans le vide.
Siemens Energy est un acteur central du domaine de la coupure électrique. En particulier, la société développe des disjoncteurs moyenne et haute tension dans le SF6 qui est un gaz à effet de serre dont l'utilisation va être limitée puis interdite dans
les prochaines années. Une des alternatives envisagée est d'utiliser des cellules de coupure électrique par arc dans le vide. Ce type de dispositif existe dans les domaines de la moyenne tension [1 – 52kV] mais doit être adapté pour permettre des coupures à plus hautes tensions.
Le Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (LAPLACE), dirigé par le professeur Oliver Eichwald est une Unité Mixte de Recherche du Centre National de la Recherche Scientifique, de l'Institut National Polytechnique de Toulouse et de l'Université Toulouse 3-Paul Sabatier. Localisé entre autres sur le campus de l'Université Paul Sabatier, le LAPLACE héberge la plus forte concentration de recherche en Génie Electrique et en Plasma de France et couvre de manière intégrée le continuum « plasma/matériaux/systèmes ». En particulier l'équipe Arcs Electriques et Procédés Plasmas Thermiques (AEPPT) du Laplace est spécialisée dans le développement de modèles CFD pour décrire le comportement des arcs électriques et des plasmas thermiques.
Ce travail de thèse s'inscrit dans une collaboration pérenne entre partenaires industriel et académique avec un encadrement par deux membres de l'équipe AEPPT du LAPLACE qui assureront la co-direction de la thèse avec l'ambition d'une production scientifique d'excellence.

Contraintes et risques

Profils, capacités et connaissances recherchées
- Ingénieur(e) ou Master Recherche en Mécanique des Fluides, énergétique et thermique, plasmas et procédés.
- Appétence et compétences en mécanique des fluides numérique et procédés multi-physiques.
- Curiosité, sens physique et pratique, rigueur scientifique et rédactionnelle, capacités d'analyse
et de synthèse, autonomie dans la recherche de solutions à des problèmes complexes,
- Prêt pour le développement informatique en environnement calcul scientifique. Formation initiale et expérience antérieure (stage) appréciée en mise en œuvre d'outils CFD volumes finis
avec un objectif de développement/validation de méthodes/modèles.
- Une connaissance préalable de la physique des plasmas sera un plus.
- Une bonne maîtrise de l'anglais parlé et écrit est demandée

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