Optimisation topologique multiphysiques d’architectures 3D à base de SiC pour absorbeurs solaires

Le développement de nouvelles technologies dans le domaine de l’énergie nécessite la mise en œuvre d’échangeurs thermiques de haute capacité. Plus spécifiquement IFPEN s’implique aujourd’hui dans la recherche et l’innovation liées à la volonté de décarbonation des procédés industriels. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR ORCHESTRA dont l’ambition est de concevoir, d'élaborer et d'évaluer de manière rationnelle des architectures poreuses à base de carbure de silicium (SiC) à longue durée de vie avec des géométries 3D disruptives, appliquées en tant que récepteurs solaires volumétriques à haute température (VSR) sur la partie supérieure d'une tour solaire. Cela implique de pouvoir (i) fournir un flux d'air à 1000°C avec un rendement de conversion solaire-chaleur de 90 % lorsque les céramiques sont exposées à un flux solaire incident intense et (ii) de résister à un gradient de température très élevé (~250 °C/cm) pour des charges thermiques transitoires sévères lors de démarrages et d'arrêts quotidiens (10 000 cycles).
L’objectif de cette thèse s’inscrit dans la mise en place d’outils de dimensionnement de nouveaux matériaux permettant d’optimiser les divers processus physiques impliqués dans cette technologie. Il s’agit de matériaux dits « architecturés » possédant une microstructure spécifique destinée le plus souvent à reprendre les efforts mécaniques de façon optimale en jouant sur l’arrangement local de la partie solide du matériau. Ici l’enjeux sera, d’une part de reprendre ce concept en l’étendant à une situation multiphysiques impliquant des écoulements de fluide et des échanges de transferts radiatifs, et d’autre part de mettre en place une approche d’optimisation topologique. D’un point de vue méthodologique, les couplages entre chaque physique seront réalisés par une méthode de changement d’échelle impliquant une cellule périodique discrète, vers un modèle continu de type poro-thermo-mécanique à l’échelle macroscopique, et prenant également en compte les aspects radiatifs solaires aux hautes températures. Cette méthode dite « composite » pourra s’insérer dans une approche d’optimisation topologique utilisant ce concept de matériau équivalent.

Mots clefs: Matériaux architecturés, couplages multiphysiques, écoulement poreux, transferts radiatifs, optimisation topologique, transferts thermiques, résistance mécanique

• Directeur de thèse    Professeur, FAVENNEC Yann , Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes (LTeN) , ORCID  0000-0001-8806-3353
• Ecole doctorale    SPI : sciences pour l'ingénieur de Nantes Université https://www.ec-nantes.fr/version-francaise/formation/lecole-doctorale-spi
• Encadrant IFPEN     Dr., CANGEMI Laurent , Adjoint Scientifique à la direction Physico-Chimie & Mécanique appliquées,  laurent.cangemi@ifpen.fr, ORCID  0000-0002-8400 0651
• Localisation du doctorant    LTeN, Nantes, France  (majoritairement) et IFPEN, Rueil-Malmaison, France   
• Durée et date de début    3 ans, début au cours du quatrième trimestre 2023
• Employeur    IFP Energies nouvelles, Rueil-Malmaison, France
• Qualifications    Master en Mathématiques Appliquées 
• Connaissances linguistique    Bonne maîtrise du français indispensable, anglais souhaitable 
• Autres qualifications     Très bonnes connaissances informatiques, connaissances en mécanique des solides, mécanique des fluides et thermique...