MESR : Étude numérique des lits fluidisés pour la récupération de chaleur fatale

école doctorale

équipe

Groupe Vecteurs Énergétiques

contexte

La thèse vise à répondre à des problématiques scientifiques et industrielles relatives à la récupération et au stockage de chaleur fatale dans des lits fluidisés, avec une attention particulière portée au couplage des phénomènes hydrodynamiques et thermiques. L'objectif principal est de développer un modèle numérique précis qui permette d'optimiser la conception et les performances des lits fluidisés, en intégrant des mécanismes de transfert thermique complexes, en particulier le rayonnement à haute température. Pour cela, quatre objectifs majeurs sont poursuivis : 1) Développement d'une modélisation numérique avancée pour les lits fluidisés} Cette première étape consiste à modéliser les écoulements multiphasiques gaz-solides caractéristiques des lits fluidisés en utilisant MFIX. Le modèle doit intégrer des approches multi-échelles, telles que la modélisation à deux fluides (TFM) pour les phénomènes globaux, et la méthode CFD-DEM pour capturer les interactions fines entre les particules et les parois du réacteur. Une validation rigoureuse des résultats numériques sera effectuée par comparaison avec des données expérimentales obtenues à partir du dispositif de lit fluidisé du LEMTA. Cette étape permettra de mieux comprendre les comportements hydrodynamiques du lit et d'identifier les paramètres pouvant influencer les performances thermiques. 2) Étude et simulation des transferts thermiques couplés dans les lits fluidisés} La deuxième étape porte sur le développement d'un modèle thermique qui intègre les trois modes de transfert de chaleur : conduction, convection et aussi rayonnement, qui devient prédominant à haute température. Les transferts couplés seront modélisés grâce à la méthode Monte Carlo, permettant de prendre en compte la complexité du procédé étudié. Les simulations permettront d'analyser les interactions entre les particules solides, le fluide, et les parois du réacteur. Cette analyse détaillée fournira des informations précieuses sur les mécanismes d'échange thermique et leur rôle dans l'efficacité du stockage et de la récupération de chaleur. 3) Optimisation des performances thermiques et énergétiques du système Une fois les modèles établis et validés, l'étape suivante consistera à identifier les configurations optimales des lits fluidisés pour maximiser la récupération et le stockage de chaleur. Les régimes hydrodynamiques (lit fixe, lit fluidisé), les paramètres de fonctionnement (taille des particules, vitesse de fluidisation) et la géométrie du lit seront étudiés en détail pour améliorer les échanges thermiques et minimiser les pertes. L'influence de la fluidisation sur la répartition de la chaleur et sur le temps de stockage/déstockage sera également examinée, dans le but de proposer des solutions adaptées aux contraintes industrielles. 4) Validation expérimentale et intégration des modèles dans des systèmes prototypes Enfin, les résultats des simulations numériques seront validés expérimentalement en synergie avec la thèse expérimentale de Q. Gueux. Des prototypes seront développés et testés au LEMTA pour évaluer leur efficacité dans des conditions réelles. Cette phase inclura également le couplage du lit fluidisé avec un échangeur thermique, permettant de mesurer les performances globales du système. Un accent sera mis sur la modélisation dynamique pour élaborer un système de contrôle-commande robuste, capable de piloter efficacement le stockage et la récupération de chaleur dans des environnements industriels complexes. En combinant des approches numériques, expérimentales et de validation conjointes, cette thèse ambitionne de fournir des solutions innovantes pour maximiser l'utilisation de la chaleur fatale dans des processus industriels, contribuant ainsi aux efforts de transition énergétique et à la réduction des émissions de gaz à effet de serre.

spécialité

Énergie et Mécanique

laboratoire

LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée