Doctorant (H/F). Interactions entre Turbulence et Température dans les systèmes solaires à concentration

Description du Poste

Sujet De Thèse

Titre : Interactions entre Turbulence et Température dans les systèmes solaires à concentration

Ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension et la modélisation des écoulements turbulents soumis à de forts gradients thermiques au sein des récepteurs solaires thermiques (T) et hybrides photovoltaïques-thermiques (PVT) utilisés pour la conversion de l’énergie solaire concentrée. Le projet sera développé selon des approches théorique, numérique et expérimentale. Des processus physiques originaux se développent dans ces systèmes. Ils sont liés au mode de chauffage du fluide caloporteur, qui s’échauffe soit au contact d’une paroi à haute température absorbant le rayonnement solaire concentré soit dans un volume soumis directement au rayonnement. Ces configurations induisent des interactions entre la turbulence et les gradients thermiques qu’il s’agit d’élucider au plan théorique et de valider expérimentalement. Plusieurs niveaux de modélisation seront développés.
Les écoulements turbulents révèlent une structure très complexe en particulier en présence de gradients thermiques. Les différentes quantités caractéristiques de l'écoulement présentent un aspect aléatoire. La technique généralement employée consiste à adopter une représentation statistique de la turbulence qui permet d’accéder directement à des grandeurs globales caractéristiques sans passer par les réalisations complètes des champs turbulents, obtenus - par exemple - avec des simulations numériques directes. Cette approche introduit en contrepartie un problème de fermeture, c'est-à-dire que le nombre d'inconnues est alors supérieur au nombre d'équations. De nombreuses tentatives de fermeture sont proposées depuis les modèles en un point jusqu'à des théories plus sophistiquées, reposant sur des approches basées sur une description des champs turbulents par des corrélations statistiques en plusieurs points, tels que les modèles spectraux de type EDQNM
Les objectifs théorique et numérique de cette thèse sont donc le développement d’une modélisation EDQNM d’un écoulement turbulent en présence de forts gradients thermiques dus au chauffage asymétrique (une seule paroi est chauffée). La prise en compte du rayonnement dans le cas d’un écoulement constitué d’un gaz absorbant (type CO2) dans la modélisation EDQNM sera également envisagé. Grâce à l’exploitation numérique du modèle développé, il s’agira notamment de calculer les spectres d’énergie pour un cas isotherme. Les forts gradients de température vont modifier la pente du spectre d’énergie et ainsi transformer les transferts d’énergie. Des analyses paramétriques et des études de sensibilité, afin de déduire les phénomènes fondamentaux de redistribution énergétique selon les échelles de turbulence, seront réalisées. Par la suite, à partir des équations et résultats issus de la modélisation EDQNM, le développement d’un modèle simplifié (un point, avec hypothèse de Boussinesq) sera effectué. Ce type de modèle sera être extrêmement utile pour les explorations des écoulements dans les récepteurs solaires.
En ce qui concerne la partie expérimentale, des essais préliminaires ont été réalisées en utilisant un four solaire de petite puissance pour générer un gradient de température dans un volume de nanofluide de faible profondeur. Ce nanofluide est une suspension de nanoparticules de graphène dans l’eau. Il absorbe 85 % du rayonnement solaire sur une épaisseur de 1 cm pour une concentration de graphène 0,75 g/L. Cette absorption peut être contrôlées en modifiant la concentration des particules de graphène. Les essais ont été réalisés en imposant à la surface du nanofluide une irradiation solaire flash (de l’ordre de la seconde). Le fluide est soumis à un rayonnement de l’ordre de 10 MW/m2 sur une surface de 1 cm de diamètre. Ce rayonnement est absorbé et provoque un échauffement local très rapide. L’observation par caméra thermique a révélé la création de « plumes thermiques » qui, en se développant, peuvent générer un régime turbulent. Ces plumes n’apparaissent pas pour des gradients de température trop faibles, ce qui laisse supposer l’existence d’une transition entre différents régimes de d’écoulements et de transferts thermiques, passant d’une dominante conductive à une dominante convective. L’objectif expérimental de ce travail de thèse est de mettre en œuvre le dispositif qui permet de caractériser les transitions de régime ainsi que d’identifier les mécanismes physiques à l’origine de cette transition. Le doctorant sera amené à développer les éléments expérimentaux existants basés sur l’imagerie thermique et optique afin de garantir la répétabilité et la précision des mesures et à effectuer les études paramétriques pertinentes. De plus, l’exploitation des résultats amènera à utiliser des notions fines de transferts thermiques, temps caractéristiques et ondes, via le développement d’un modèle de stabilité. Les expérimentations seront réalisées avec des membres du laboratoire qui sont expérimentateurs et experts du solaire à concentration.
Enfin, la comparaison entre résultats expérimentaux et modélisations sera réalisée, en particulier, l’analyse des phénomènes physiques à l’origine des couplages. Ces deux approches complémentaires, sont indispensables pour couvrir l’analyse fine des transferts thermiques se produisant au sein d’un récepteur solaire.

Votre Environnement de Travail

Le laboratoire PROMES concentre ses recherches sur l’énergie solaire et, en particulier, ses applications à haute température. Les installations solaires à concentration offrent une gamme de fours solaires dont la puissance varie de 1kW à 1 MW, capables de produire de très hautes températures (3000°C) grâce à des taux de concentration très élevés (15000 soleils). Le principe des technologies solaires à concentration consiste à concentrer les rayons du soleil à l’aide de miroirs sur un récepteur, pour générer de la chaleur. L’élément essentiel de ce processus est le récepteur solaire qui fonctionne à haute température et sous haut flux. Au sein de ce récepteur solaire, les couplages entre la turbulence et la thermique rendent la physique particulièrement complexe et passionnante. La maîtrise des écoulements turbulents fortement anisothermes est ainsi un verrou scientifique pour le développement des centrales solaires de production de chaleur et d’électricité de future génération. En complément de la conversion purement thermique de l’énergie solaire, les systèmes hybrides compacts (PVT) permettent de générer en même temps de la chaleur à moyenne température (150-250 °C) et de l’électricité grâce à un dispositif unique. Ce dispositif est constitué d’un absorbeur solaire sur lequel est disposé une cellule photovoltaïque fonctionnant en conditions non standard. Plusieurs solutions sont possibles mais toutes nécessitent de mieux comprendre les couplages entre écoulement et transfert thermique car ils gouvernent le rendement global du système.
Les réponses à ces questionnements amont doivent nourrir les développements plus appliqués effectués dans le cadre du projet SHIP4D (Solar Heat in Industrial Processes for Decarbonization » du PEPR SPLEEN. Cette thèse est intégrée dans ce projet

Contraintes et risques

Expérimentations à l'aide de concentrateurs solaires de 1 kW.
Pas de risques particuliers.

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€

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À propos du CNRS

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