Modélisation numérique (CFD) du transfert thermique lors de l’impact d’un jet de particules sur une paroi chauffante

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Présentation INRAE

L’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE) est un établissement public de recherche rassemblant une communauté de travail de 12 000 personnes, avec 272 unités de recherche, de service et expérimentales, implantées dans 18 centres sur toute la France. INRAE se positionne parmi les tout premiers leaders mondiaux en sciences agricoles et alimentaires, en sciences du végétal et de l’animal. Ses recherches visent à construire des solutions pour des agricultures multi-performantes, une alimentation de qualité et une gestion durable des ressources et des écosystèmes.

Environnement de travail, missions et activités

Vous serez accueilli(e) au sein de :

L’unité de recherche FRISE "Génie des procédés FRIgorifiques pour la Sécurité alimentaire et l’Environnement de l’INRAE localisée sur le site d'Antony (92), qui développe des activités de recherche finalisée portant sur la production et l’utilisation du froid, et ce, dans l’objectif d’assurer la maîtrise des températures et de la qualité des produits alimentaires dans la chaîne du froid, tout en assurant un faible impact environnemental. Vous aurez des déplacements hebdomadaires à effectuer à l’IPSA, école d’ingénieur en aéronautique pour interactions avec des chercheurs de l’IPSA. Des réunions en distanciel ou en présentiel sont à prévoir pour le bon suivi du stage.

Contexte et objectif du stage :

Le jet cooling (ou refroidissement par jet) est une technique de transfert de chaleur très efficace qui consiste à projeter un jet de fluide — liquide, gazeux — sur une surface chaude afin de la refroidir localement. Le fluide est éjecté à grande vitesse à travers une buse (souvent circulaire, plate ou en fente), vient impacter la surface à refroidir et s’étale sur la surface (écoulement radial) en évacuant la chaleur de la plaque essentiellement par convection.

Toutefois, dans de nombreux procédés industriels, l’utilisation d’un fluide liquide ou gazeux pose des problèmes techniques, sanitaires ou énergétiques. Ainsi, en milieu agroalimentaire, l’usage d’eau ou d’air humide peut provoquer de la condensation conduisant à une humidification et dégradation des produits secs (grains, poudres, farines, etc.), un risque microbien accru (milieu favorable à la contamination) ainsi qu’une altération possible de la texture ou du goût (ex. refroidissement d’un produit cuit). En outre, l’air soufflé doit être filtré et refroidi, ce qui demande beaucoup d’énergie et de maintenance (Exemple: lors du refroidissement de grains dans un silo, l’air froid peut créer des zones de condensation et favoriser la moisissure). En milieu industriel ou électronique, les liquides de refroidissement peuvent provoquer corrosion ou oxydation des surfaces, être incompatibles avec certains matériaux (ex. composites, poudres fines), nécessitent une gestion complexe (circuits, pompes, récupération, filtration). L’air, quant à lui, a une capacité calorifique faible, donc peu efficace à grande échelle induisant un fort coût énergétique pour atteindre les mêmes performances de refroidissement.

Le refroidissement par jet granulaire (« Granular jet cooling ») utilise un flux de particules solides (sable, billes de verre, grains, etc.) projeté sur une surface chaude pour en extraire la chaleur. Ces particules jouent à la fois le rôle de vecteur de chaleur et de milieu de contact direct. Certains avantages thermiques sont attendus de ce type d’approche : d’une part, les particules ont une capacité calorifique plus élevée que les gaz : elles peuvent emmagasiner plus d’énergie. Le transfert de chaleur est mixte : la conduction par contact direct entre particule et surface, la convection solide-fluide par écoulement des particules et mélange. Les grains joueraient en effet également le rôle de mini-mélangeurs thermiques qui brassent l’air en générant une turbulence locale et forcant le renouvellement du fluide à la paroi ce qui favorise les transferts de manière encore peu étudiée.

Des avantages de nature opérationnels peuvent rendre ce procédé intéressant :

En agroalimentaire, on éviterait les problèmes d’humidité donc pas de condensation ni de contamination microbienne ce qui est bien adapté aux produits secs. Pour les matériaux sensibles, on peut éviter aussi la corrosion, l’oxydation et les impacts chimiques. Les particules peuvent en outre résister à des températures très élevés (>1000°C) ce qui est intéressant dans certaines applications (aéronautique notamment). Cette voie offre enfin de potentiels avantages en termes de recyclabilité et durabilité puisque les particules peuvent être récupérées facilement par aspiration ou gravité.

Toutefois plusieurs verrous apparaissent qui limitent son utilisation pratique :

Le transfert de chaleur dans un jet de particules est multiphysique et multiphasique et encore difficile à modéliser et à maîtriser expérimentalement. Notamment, les contacts particule/paroi sont brefs et intermittents limitant la conduction. Le flux granulaire est aussi spatialement hétérogène générant une hétérogénéité du transfert. Enfin, le couplage thermique–mécanique serait à prendre en compte : la déformation, la vitesse d’impact et la température peuvent interagir fortement. De manière générale, les mesures expérimentales sont difficiles : il est compliqué de mesurer localement la température et les échanges à l’intérieur du jet de grains en mouvement. La description de ces phénomènes peut ainsi nécessiter avec profit d’approches numériques de type CFD ou DEM-CFD (Discrete Element Method + Computational Fluid Dynamics) couplés à la thermique encore relativement complexes à mettre en oeuvre.

Il en résulte qu’à la différence du cas du refroidissement par jet fluide, il n’existe pas encore en l’état de lois et corrélations bien établies permettant de caractériser le transfert thermique reliant le nombre de Nusselt aux grandeurs physiques caractéristiques du procédé par jet granulaire: Nu=f(Re,Pr,H/D,fraction volumique, taille particule…). Les utilisations actuelles du procédé sont encore expérimentales et isolées et l’absence de corrélations généralisables limite dès lors la conception rapide d’équipements optimisés.

L’objet du stage contribue à initier un projet de recherche permettant de progresser dans l’analyse de l’échange thermique entre un flux particulaire diphasique collisionnel et une surface en vue d’un procédé optimisé.

Méthodologie :

Le stagiaire de MASTER proposera un point bibliographique à l’issue du premier mois de stage sur l’état des connaissances concernant le refroidissement par jet granulaire, ses potentiels champs d’application et la définition de la gamme de paramètres pour le modèle. Il mènera une caractérisation thermique de l’échange entre une unique particule froide en collision et une paroi horizontale à refroidir puis un flux de particules par modélisation numérique. Il pourra considérer notamment l’influence de la vitesse du jet de particules, la concentration en particules et l’angle du jet sur l’intensification du transfert particule/plaque. Sur le plan pratique, l’outil numérique utilisé sera STARCCM disponible au sein de l’école d’ingénieur IPSA. Le stagiaire sera basé au laboratoire FRISE mais effectuera ses calculs à l’IPSA et bénéficiera d’un ordinateur portable de l’IPSA pour lancer ses calculs à distance sur les stations de calcul de l’IPSA. L’encadrement sera assuré par trois chercheurs: l’un est installé à Frise, l’autre partage son temps entre Frise et l’IPSA et le dernier est installé à temps plein à l’IPSA. 

Formations et compétences recherchées

Formation recommandée : Master 2 en Mécanique des fluides et des transferts ayant un intérèt marqué pour la modélisation et la simulation numériques.

Connaissances souhaitées :  Modélisation, Thermique, Mécanique des fluides, Bases de mécanique, anglais

Aptitudes recherchées :  Rigueur, autonomie, goût pour le travail numérique.

Votre qualité de vie à INRAE

En rejoignant INRAE, vous bénéficiez (selon le type de contrat et sa durée) :

-  jusqu'à 30 jours de congés + 15 RTT par an (pour un temps plein)
- d'un soutien à la parentalité : CESU garde d'enfants, prestations pour les loisirs ;
- de dispositifs de développement des compétences : formation, conseil en orientation professionnelle ;
- d'un accompagnement social : conseil et écoute, aides et prêts sociaux ;
- de prestations vacances et loisirs : chèque-vacances, hébergements à tarif préférentiel ;
- d'activités sportives et culturelles ;
- d'une restauration collective 

-Remboursement partiel de l'abonnement transport entre le domicile et le lieu du stage

Modalités pour postuler

J'envoie mon CV et ma lettre de motivation