H/F doctorant en développement de la lévitation électromagnétique à champs multiples pour la caractérisation et élaboration

Description du Poste

Sujet De Thèse

Description du projet
La thèse est proposée dans le cadre du projet ANR MultiMAGe, qui vise à développer un dispositif expérimental polyvalent, basé sur le couplage de la lévitation électromagnétique avec un champ magnétique continu (DC), pour la caractérisation et l’élaboration de métaux et alliages à haute température.
La caractérisation des métaux à l’état liquide et l’étude des transformations liquide-solide sont essentielles pour initier ou optimiser les procédés industriels, nécessitant notamment la connaissance des propriétés thermophysiques des matériaux à haute température ainsi qu’une compréhension des phénomènes physico-chimiques se produisant à la surface libre. Cependant, l’expérimentation sur les métaux liquides chimiquement purs s’avère complexe en raison de leur forte réactivité chimique et de leur température de fusion élevée. Les techniques sans contact sont donc particulièrement adaptées à ce type d’étude. La lévitation électromagnétique (EML) présente certains avantages par rapport à d’autres techniques de lévitation (aérodynamique, ultrasonore, etc.), notamment la possibilité de traiter des échantillons relativement volumineux et de les chauffer pendant la lévitation par effet Joule.
En revanche, une caractéristique intrinsèque de la lévitation électromagnétique est la génération d’un écoulement au sein de l’échantillon liquide. En conditions terrestres, cet écoulement est généralement suffisamment intense pour dominer les transferts diffusifs de chaleur et de masse, rendant ainsi impossible ou plus compliqué, la mesure de certaines propriétés thermophysiques. De même, les transformations de phase sont affectées par les transferts convectifs de chaleur et de masse. Il a cependant été démontré que l’application d’un second champ magnétique continu (DC) permet de stabiliser l’échantillon en lévitation et de réduire fortement la vitesse d’écoulement au sein du liquide. Cela ouvre la possibilité de réaliser des études paramétriques contrôlées et, à terme, d’extrapoler les propriétés thermophysiques vers des conditions où le transport convectif devient négligeable.
Plusieurs questions fondamentales restent néanmoins ouvertes concernant le couplage de la lévitation électromagnétique avec l’application de champ magnétique DC. En particulier, les effets de l’intensité, de l’orientation et de l’homogénéité spatiale du champ magnétique DC sur l’écoulement interne et les oscillations de surface ne sont pas encore totalement compris. Le couplage entre l’écoulement et les transferts thermiques présente également un intérêt particulier pour le développement de méthodes fiables de mesure des propriétés thermophysiques et de procédés d’élaboration mieux contrôlés.

Développements précédents et questions ouvertes.

Un dispositif permettant de combiner la lévitation électromagnétique avec un champ magnétique DC orienté horizontalement a été développé au laboratoire. Des expériences réalisées avec des matériaux modèles (Cu, Ni, CuNi) ont montré un effet stabilisant important du champ magnétique DC, au-delà de 4,5 T, sur les oscillations des gouttes en lévitation.
L’intensité de l’écoulement visible à la surface de la goutte, mise en évidence par le transport de particules d’oxyde présentes à la surface, a également été réduite. La question de l’intensité de l’écoulement à l’intérieur de la goutte reste cependant ouverte. Par ailleurs, une déstabilisation importante et inattendue de la goutte en lévitation a été observée pour des intensités intermédiaires du champ magnétique, approximativement entre 1,5 et 3 T. L’origine physique de ce phénomène reste à déterminer. Enfin, la réponse de la goutte à des perturbations mécaniques et thermiques sous des champs magnétiques plus faibles (inférieurs à 1,5 T) n’a pas encore été étudiée de manière systématique.

Objectifs de la thèse.

L’objectif de la thèse est de poursuivre l’étude expérimentale du couplage entre la lévitation électromagnétique et des champs magnétiques DC, en considérant des configurations avec champ magnétique orienté aussi bien horizontalement que verticalement.
Les travaux porteront notamment sur :
• l’amélioration de l’instrumentation et l’automatisation du dispositif expérimental existant, afin de mieux contrôler la température de l’échantillon en lévitation et d’augmenter la vitesse d’acquisition des données ;
• l’étude de l’effet d’un champ magnétique DC de l’ordre de 1 T sur les oscillations de la goutte, à partir d’images acquises avec une caméra rapide ;
• la visualisation de la goutte dans les conditions de déstabilisation et l’identification des fréquences caractéristiques des oscillations, afin de mieux comprendre le mécanisme physique à l’origine de cette déstabilisation ;
• la mesure de la dilatation thermique des échantillons stabilisés par le champ magnétique DC ;
• la détermination des conditions dans lesquelles le transport convectif de chaleur peut être suffisamment réduit pour permettre la mesure fiable de certaines propriétés thermophysiques ;
• le développement et la validation de procédures expérimentales pour la mesure de ces propriétés dans des conditions thermiques et électromagnétiques contrôlées.
Les études expérimentales seront supportées par des modélisations numériques réalisés au sein de la même équipe et aussi par une équipe partenaire de l’ANR MultiMAGe.

Compétences attendues
Requises :
1- Excellente compréhension des processus fondamentaux de transfert de masse et de chaleur : conduction, convection, rayonnement, transport de solutés (diffusion).
2 – Goût prononcé pour le travail expérimental.
3 - Bon niveau d'anglais
Considéré comme un atout :
1- Expérience à mener des activités expérimentales (stage expérimental)
2 - connaissances de base en magnétohydrodynamique
3- connaissances en programmation Python
4 – expériences dans le traitement des signaux et/ou images

Savoir être :
Autonomie, organisation, rigueur, travail en équipe, bonnes capacités de communication et de rédaction

Votre Environnement de Travail

SIMaP – Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (https://simap.grenoble-inp.fr) – est un laboratoire multidisciplinaire regroupant plus de 200 personnes issues de la chimie, de la physique, des matériaux et de la mécanique des fluides. Il est l'un des principaux laboratoires de métallurgie physique et de thermodynamique, de matériaux architecturés, ainsi que de matériaux pour la microélectronique, l'électronique et les applications énergétiques. Le SIMaP est une UMR sous la tutelle du CNRS, de l'Université Grenoble Alpes et de l’INP de Grenoble.
Le candidat travaillera dans une équipe très dynamique ayant de l’expertise sur le traitement des phase solides et/ou liquides des matériaux en utilisant l’application de champs externes (magnétiques, électriques,…)
La thèse sera réalisée à l’école doctorale IMEP2 de l’Université Grenoble Alpes, avec la spécialité
MEP - Mécanique des fluides, Énergétique, Procédés

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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