MESR - Transition de phase et phénomènes de transports dans des composites à base de MCP organiques pour le stockage thermique de l'énergie

Offre de thèse

Date limite de candidature

30-06-2026

Date de début de contrat

01-11-2026

Directeur de thèse

METIVIER Christel

Encadrement

Le ou la doctorant(e) sera encadré(e) principalement par Nicolò Sgreva et Christel Métivier. Le suivi de l'avancement des travaux se fait généralement par des réunions hebdomadaires avec les encadrants et des discussions informelles quotidiennes lorsque nécessaires. De nombreux échanges et interactions se feront avec différents chercheurs du LEMTA, notamment Sébastien Leclerc (équipe IRM), Nicolas Louvet (équipe Fluides et Ecoulement Complexes), Mykola Isaiev, David Lacroix (équipe TEMIN), les chercheurs thermiciens de l'équipe Gestion de la chaleur (Benjamin Rémy, Nicolas Blet, Olivier Farges). En complément, le ou la doctorant(e) pourra bénéficier du savoir-faire, de la compétence et de la disponibilité des services techniques et administratifs du LEMTA, notamment les services « mécanique, électronique et optique. Enfin, le ou la doctorant(e) aura l'occasion de participer à l'encadrement d'un ou plusieurs stages de niveau Master en deuxième ou troisième année de thèse. Au niveau institutionnel, le LEMTA apporte une attention toute particulière aux doctorants et à leur suivi : le doctorat s'inscrit pleinement dans la stratégie du Laboratoire, dans la droite ligne de la politique d'accueil en stage d'étudiants de niveau Master ou Ingénieur. Un personnel administratif référent assure le suivi des doctorants (suivi administratif : inscription, soutenance, statistiques sur l'insertion professionnelle, relations avec l'École Doctorale, organisation des comités de suivi de thèse). Les doctorants sont accueillis au Laboratoire lors de la journée des nouveaux arrivants lors de laquelle sont exposés les thématiques du Laboratoire, la gouvernance, l'organisation des services communs (pôle administratif et pôle technique) et une initiation à la sécurité est dispensée. Des moyens informatiques et bureautiques spécifiques pris en charge par le fond commun du Laboratoire sont systématiquement attribués aux doctorants, qui disposent d'un bureau partagé. Enfin, le LEMTA porte une attention particulière aux risques psycho-sociaux par le biais d'un groupe de travail, de questionnaires envoyés régulièrement aux personnels, et d'actions de sensibilisation : journées des nouveaux entrants, séminaires, rappels lors des conseils et AG etc. Des soutenances à mi-parcours (publiques et ouvertes à l'ensemble du personnel du Laboratoire) sont organisées une fois par an lors de la (ou des) journées des doctorants, l'objectif étant de faire un point d'étape sur le travail de thèse : sujet et positionnement, travail effectué et résultats/difficultés, planning prévisionnel, point sur les conférences et formations, projet professionnel. Ces journées sont organisées habituellement en juin de manière que le travail de préparation puisse également servir pour la réunion du Comité de Suivi Individuel des doctorants (réinscription en deuxième et troisième année). Par ailleurs, les doctorants sont très fortement incités à s'inscrire aux Doctoriales, ainsi qu'à des écoles thématiques nationales ou internationales. La démarche des cahiers de Laboratoire a été mise en place et permet un suivi et une consolidation des travaux. Une charte de gestion des congés et absences, a été élaborée et le suivi de ceux-ci est assuré de manière centralisée au Laboratoire.

Type de contrat

Enseignement supérieur

Candidater à cette offre

école doctorale

SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE

équipe

Groupe Milieux Fluides Rhéophysique

contexte

spécialité

Énergie et Mécanique

laboratoire

LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée

Mots clés

Mécanique des fluides, Thermique, Changement de phase, MCP

Détail de l'offre

Atteindre la neutralité carbone nécessite des solutions efficaces de stockage d'énergie, notamment pour les procédés thermiques (>50 % de la consommation mondiale). Parmi les solutions, les systèmes de stockage thermique par chaleur latente (LHTES) sont prometteurs grâce aux matériaux à changement de phase (MCP), capables de stocker/restituer de l'énergie via leur transition solide-liquide. Applicables à la gestion thermique des batteries ou à la récupération de chaleur industrielle, les MCP organiques biosourcés (alcools de sucre, esters) sont attractifs pour les basses/moyennes températures (<100 °C) en raison de leur chaleur latente élevée et de leur faible impact environnemental. Cependant, leur utilisation est limitée par leur faible conductivité thermique et leur comportement complexe (surfusion, polymorphisme, zones partiellement fondues), affectant les performances globales.

Une solution consiste à intégrer les MCP dans des structures poreuses solides, formant des composites. Ces structures améliorent le transfert thermique, influencent la convection naturelle et favorisent la nucléation. Pourtant, les mécanismes physiques gouvernant le changement de phase dans ces milieux restent mal compris, notamment l'influence de la géométrie poreuse sur la dynamique de fusion, l'écoulement liquide, la distribution de température et l'évolution de l'interface solide-liquide, difficile à étudier en raison de l'opacité des systèmes.

Ce projet de thèse vise à étudier expérimentalement l'influence de la géométrie et des propriétés du milieu poreux sur le comportement du MCP pendant la fusion. Deux étapes sont prévues :

- Caractérisation thermophysique détaillée des MCP sélectionnés, en mettant l'accent sur leur comportement thermique et rhéologique près de la transition de phase et lors de cycles thermiques répétés. L'obtention de données fiables est cruciale, car les études existantes sont rares et parfois incohérentes entre elles.
- Étude des transferts thermiques et de l'écoulement de la phase liquide pendant la fusion dans des systèmes composites MCP/milieu poreux, sous conditions thermiques contrôlées, via l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM). Cette technique non invasive permet d'identifier les phases, de mesurer les vitesses locales et de cartographier la température dans les MCP liquides. Des expériences seront menées avec des MCP modèles (paraffines) pour établir une base de référence, puis avec des MCP biosourcés à comportement complexe.

Les résultats attendus incluent une description des structures d'écoulement, du rôle des mécanismes de transfert thermique, de l'évolution de l'interface solide-liquide et de l'influence de la géométrie poreuse. Ce projet apportera de nouvelles connaissances sur le couplage entre changement de phase, transfert thermique et écoulement, contribuant au développement de composites MCP plus efficaces pour le stockage thermique par chaleur latente.

Keywords

Fluid mechanics, Thermal sciences, Phase transition, Phase Change Materials PCM

Subject details

Achieving carbon neutrality requires efficient energy storage, especially for thermal processes (>50% of global energy use). Among options, Latent Heat Thermal Energy Storage (LHTES) systems are promising, using Phase Change Materials (PCMs) to store/release thermal energy via solid-liquid transitions. These systems suit applications like battery thermal management, waste heat recovery, and industrial heat recycling. Bio-based organic PCMs (e.g., sugar alcohols, esters) are attractive for low-to-medium temperatures (<100 °C) due to high latent heat, suitable phase-change ranges, and eco-friendliness. However, their practical use is limited by low thermal conductivity and complex phase-change behavior (e.g., supercooling, polymorphism, mushy zones), which significantly affect thermophysical properties and system performance. A solution is embedding PCMs in solid porous structures, forming composites that enhance heat transfer, influence natural convection, and promote nucleation. Yet, the physical mechanisms behind phase change in PCM-saturated porous media remain understudied. The impact of porous geometry on melting dynamics, liquid flow, temperature distribution, and solid-liquid interface evolution is hard to quantify experimentally due to limited optical access in opaque systems. This PhD project aims to experimentally investigate how porous medium geometry and properties affect PCM melting behavior. The work includes two main steps: - Detailed thermophysical characterization of selected PCMs, focusing on thermal/rheological behavior near phase transition and over repeated cycles. Reliable reference data are crucial, as existing studies are scarce and inconsistent. - Experimental study of heat transfer and fluid flow during melting in PCM-porous composites under controlled thermal conditions, using Magnetic Resonance Imaging (MRI). This non-invasive technique provides phase identification, local velocity, and temperature mapping in liquid PCMs. Experiments will first use model PCMs (e.g., paraffins) to establish baseline dynamics, then bio-based PCMs with complex behavior. Expected outcomes include descriptions of liquid flow structures, the role of heat transfer mechanisms, solid-liquid interface evolution, and the influence of porous geometry. The project will advance understanding of phase change, heat transfer, and fluid flow coupling in porous media, contributing to more efficient composite PCMs for LHTES.

Profil du candidat

Solides connaissances en mécanique des fluides et en sciences thermiques.
Des notions en matériaux à changement de phase seraient un atout, mais ne sont pas obligatoires.
Une bonne maîtrise de l'anglais (écrit et oral) est nécessaire (niveau B2/C1).

Candidate profile

Strong skills in fluid mechanics, thermal sciences, a knowledge in phase change materials would be welcome but not required.
A good proficiency in English, both written and oral, is required (B2/C1).

Référence biblio

Mehling, H. et al. 'PCM products and their fields of application - An overview of the state in 2020/2021.' Journal of Energy Storage 51 (2022): 104354.
Sgreva, N.R., et al. 'Experimental velocity and temperature measurements for natural convection in a highly porous medium.' International Journal of Thermal Sciences 205 (2024): 109257