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10 mai 2017

Offre de thèse - Labex Solstice 2017 - Optimisation d’échangeurs poreux à haute température avec un modèle réduit paramétré par une méthode Monte-Carlo Symbolique en géométrie 3D complexe


Acronyme : Star-Foam

Résumé

Les futures centrales à haut rendement convertissant l’énergie solaire concentré en électricité ou en carburants solaires nécessiteront un récepteur de chaleur dans lequel les transferts thermiques seront optimisés pour atteindre un rendement de conversion maximal et de hautes températures (> 700 °C). Parmi l’ensemble des technologies à l’étude, celle des récepteurs et échangeurs poreux en céramique présentent l’avantage de résister aux hautes températures et d’intensifier les transferts entre le fluide caloporteur et la matrice solide. Pour atteindre de hauts rendements et améliorer la compréhension des phénomènes limitants, l’optimisation et l’intensification des transferts thermiques requièrent un modèle précis des dépendances du rendement de conversion aux propriétés géométriques, thermophysiques et thermoradiatives de la phase solide poreuse. La thèse a pour objectif de développer un modèle réduit du milieu poreux dont les paramètres seront obtenus grâce à l’analyse des chemins aléatoires utilisés par la méthode statistique de Monte-Carlo Symbolique (MCS) pour résoudre les transferts thermiques couplés. Le modèle réduit sera ensuite utilisé pour optimiser les récepteurs et les échangeurs poreux en fonction des conditions de fonctionnement et de leurs géométries. 

Descriptif détaillé

La conversion de l’énergie solaire concentrée en électricité domestique ou industrielle est l’une des voies les plus prometteuses pour la production des énergies renouvelables du XXIème siècle. Les futures centrales solaires à haut rendement possèderont un récepteur de chaleur (ou un réacteur thermochimique) installé au sommet d’une tour d’une centaine de mètres de hauteur, et entourée de dizaines de milliers de miroirs segmentés placés au niveau du sol (les héliostats), assurant le suivi du soleil et la concentration des rayons à l’intérieur du récepteur. Parmi les défis scientifiques et technologiques restant à relever, l’optimisation des transferts de chaleur dans le récepteur pour atteindre un rendement de conversion maximal est actuellement un enjeu majeur. Pour les centrales héliothermodynamiques, la tendance actuelle (ex. le programme américain de recherche SunShot) pousse vers l’augmentation de la température du fluide caloporteur (> 500 °C) dans les récepteurs (Figure 1) et à la recherche de dispositif de stockage de chaleur à haute température à bas coût. Pour les centrales héliothermochimiques qui comportent des cycles de réactions chimiques à haute température pour produire de l’hydrogène ou du gaz de synthèse, la cyclabilité et la tenue des matériaux constituent avec le rendement thermique du cycle les principaux sujets de recherche actuels.

Dans un but d’augmentation des rendements thermiques, les défis liés à la modélisation et la simulation de tels récepteurs et réacteurs à haute température incluent la prise en compte des processus de transferts de chaleur et de matière qui sont couplés à différentes échelles de la géométrie complexe 3D des récepteurs et des réacteurs.

Les applications visées par ce travail de thèse sont les récepteurs volumiques à air atmosphérique [1] (Figure 1) et les échangeurs stockeurs [2] (Figure 2) pour les cycles thermochimiques qui font tous deux intervenir des milieux poreux (à pores ouverts) en mousse de céramique. 

 

Actuellement, des modèles de transferts couplés utilisant l’hypothèse de milieux poreux équivalents (et définissant des propriétés effectives difficile à connaître) sont employés en dehors de leur domaine de validité. En effet, les propriétés effectives utilisées ne sont valables qu’à partir d’une certaine échelle, au-delà du volume élémentaire représentatif, qui s’étend sur 5 à 10 diamètres de cellules poreuses [3]. Hors, pour les récepteurs volumiques à air et les échangeurs stockeurs, les phénomènes prépondérants se produisent à une échelle inférieure, dans les 5

premiers pores. Par exemple, pour l’échangeur stockeur de la Figure 2, le milieu poreux possède une épaisseur dans l’espace annulaire plus faible que l’épaisseur requise pour la validité des propriétés effectives (3 diamètres de cellule d’épaisseur entre les deux tubes). Le sujet de thèse a donc pour objectif de répondre à cette lacune en étudiant finement les transferts couplés grâce à leurs résolutions détaillées en géométrie 3D représentative (par exemple celle représentée dans la Figure 3). Après une étude des mécanismes de transferts prépondérants (et qui pourront être maîtrisés grâce, par exemple, à un changement de géométrie ou de matériaux) un modèle réduit des transferts couplés dans le matériau poreux sera développé en vue de son utilisation lors d’études sur l’optimisation des performances. L’utilisation de la méthode de Monte-Carlo Symbolique [4] permettra d’atteindre ce but et apportera de la compréhension sur les mécanismes de transferts de chaleur et de matière limitant les rendements de conversion.

Un outil de simulation des transferts de chaleur en géométrie 3D complexe par la méthode Monte-Carlo sera utilisé. Cet outil a été en partie développé par une société toulousaine, MESO-STAR SAS, pour PROMES lors d’un précédent projet (ANR SEED OPTISOL) dont l’utilisation et la valorisation sera effective grâce à ce travail de thèse (code Star-Therm Monte-Carlo).

Objectif de la thèse

Le premier objectif de la thèse est de développer un modèle réduit des transferts thermiques couplés dans un milieu poreux grâce à un modèle statistique précis et de référence utilisant la méthode de Monte Carlo Symbolique.
Le second objectif est l’optimisation de récepteurs et d’échangeurs poreux en fonction de leurs conditions de fonctionnement et de leurs géométries.

Ce sujet de thèse apportera de nouvelles connaissances et de nouveaux outils numériques pour l’étude et l’identification des mécanismes prépondérants limitants les rendements de conversion dans les récepteurs et échangeurs poreux.

Programme de travail

Le travail de recherche débutera par une étude bibliographique sur l’utilisation des méthodes statistiques en transfert thermique (conduction, convection et rayonnement). Une formation sur le code Star-Therm développé par MESO-STAR SAS sera suivie dans leurs locaux à Toulouse pour assurer une prise en main efficace.

Le type de milieu poreux (récepteurs et échangeurs poreux), les conditions de fonctionnement et les observables pertinentes à calculer seront tout d’abord définis et les géométries 3D associée seront construites (avec un logiciel CAO et l’appui de service technique si besoin).

Une étude statistique de l’influence des transferts radiatifs sur les transferts couplés sera menée en utilisant la statistique des chemins Monte-Carlo d’où proviennent les contributions des sources à l’observable. L’interprétation et l’analyse des informations statistiques sera rendu possible par l’implémentation de la méthode de Monte-Carlo Symbolique dont l’objectif sera de calculer les paramètres du modèle réduit de transferts d’énergie couplés dans le milieu poreux. Cette étude nécessitera d’adapter le code Star-Therm pour qu’il fournisse les informations statistiques nécessaires. Les modifications de Star-Therm seront conduites en partenariat avec les ingénieurs de MESO-STAR.

Dans le but d’améliorer sensiblement les rendements thermiques, et en se basant sur l’outil statistique, une optimisation des paramètres du procédé sera conduite grâce à l’outil d’analyse développé après, par exemple, une modification des conditions aux limites ou des propriétés thermophysiques ou thermoradiatives et éventuellement de la géométrie locale. Cette partie consiste à interpréter les informations issues des simulations et analyser les mécanismes de transferts de chaleur prépondérants liés à une application et proposer une solution optimale permettant d’accroître le rendement thermique. La solution sera validée par une simulation (et éventuellement par une mesure expérimentale).

Références

[1] S. Mey-Cloutier, C. Caliot, A. Kribus, Y. Gray, G. Flamant, Experimental study of ceramic foams used as high temperature volumetric solar absorber, Solar Energy, 136, pp 226- 235, 2016.
[2] A. Banerjee, R. Bala Chandran, J.H. Davidson, Experimental investigation of a reticulated porous alumina heat exchanger for high temperature gas heat recovery, Applied Thermal Engineering, 75, pp 889-895, 2015.

[3] A. Kribus, Y. Gray, M. Grijnevich, G. Mittelman, S. Mey-Cloutier, C. Caliot, The promise and challenge of solar volumetric absorbers, Solar Energy, 110, pp 463-481, 2014.
[4] M. Galtier, M. Roger, F. André, A. Delmas. A Symbolic approach for the identification of radiative properties. J. of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 196, pp 130-141, 2017.

Direction et lieu de la thèse

Codirection de thèse :

  • Cyril Caliot (Chargé de Recherche CNRS, Habilité à Diriger des Recherches)

    +33 4 68 30 77 44,
    Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie Solaire (PROMES), 7 rue du Four Solaire, 66120 Font-Romeu-Odeillo-Via.

  • Mouna El Hafi (Maître-Assistante, Habilité à Diriger des Recherches) +33 5 63 49 31 49,
    Recherche d’Albi en génie des Procédés des Solides Divisés, de l’Energie et de l’Environnement (RAPSODEE), Université Fédérale de Toulouse, Ecole des Mines d’Albi, 81013 ALBI CT Cedex 09.

    Encadrant :

  • Stéphane Abanadès (Directeur de Recherche CNRS)
    +33 4 68 30 77 30,
    Laboratoire Procédés, Matériaux et Energie Solaire (PROMES), 7 rue du Four Solaire, 66120 Font-Romeu-Odeillo-Via.

La thèse se déroulera au laboratoire RAPSODEE à Albi.

Chronogramme 

 

Compétences demandées

La thèse proposée est une thèse en modélisation des transferts couplés, le(la) candidat(e) devra posséder des compétences :

  1. en mathématique appliquée et/ou en thermique (dont le transfert radiatif),

  2. en programmation informatique (langages C++, etc.),

  3. d’expression écrite et orale en français et en anglais.

Il(Elle) sera motivé(e) par la modélisation et simulation numérique.

Le(La) candidat(e) devra envoyer un CV, une lettre de motivation mettant en avant les compétences en adéquation avec le sujet proposé, ainsi que les relevés de notes des Master 1 et 2 obtenues.

Financement

La thèse sera cofinancée par le Labex Solstice (Université de Perpignan Via Domitia) et l’Ecole des Mines d’Albi pour un montant d’environ 1750 € brut mensuel.

Documents pour l’inscription en thèse à l’Ecole Doctorale Energie Environnement E2 :

- dossier d'inscription
- relevés des notes de Master 1 et Master 2 (traduit si besoin, en anglais ou en français) - Le présent résumé du sujet de thèse
- Le présent chronogramme du déroulement de la thèse