Un modèle de déflagration de matériaux réactifs à base d’aluminium et d’oxydes métalliques (type Al/CuO) a été développé dans le cadre d’une thèse CIFRE en collaboration avec Ariane Group. Il s’agit d’un modèle phénoménologique de type CFD par une approche Euler-Euler visant à décrire la combustion de poudres d’aluminium mélangées à un oxyde métallique tel que le CuO. Ce type de matériau suscite un intérêt croissant dans plusieurs secteurs industriels en raison de son potentiel énergétique par unité de masse élevé et les hautes températures de combustion. Ainsi, la compréhension de leur fonctionnement, bien que complexe et encore partiellement maîtrisée, revêt une importance majeure, notamment pour les applications spatiales et militaires.

Dans le modèle, les trois phases (gaz de combustion, particules d’aluminium, particules d’oxyde métallique) sont caractérisées par leurs propriétés moyennes dans un volume fixé, suivant une approche eulérienne. Les grandeurs physiques et chimiques sont déterminées en fonction du temps et de leur position suivant l’axe de propagation de la flamme. Les équations de conservation de masse, de quantité de mouvement et d’énergie permettent de suivre l’évolution du nombre de particules, de leur masse, de leur composition chimique, ainsi que des transferts thermiques et dynamiques au cours de la combustion. La poursuite de ce travail fondateur nécessite plusieurs améliorations clés :

1. Refonte d’un code de calcul 1D pour le passer en 3D (clarification des routines, schémas numériques et optimisation) ;
2. Amélioration du traitement de la phase gazeuse, actuellement couplée à Cantera, sous hypothèse de volume constant, ce qui est physiquement peu réaliste. Une évolution vers un modèle à pression constante est nécessaire ;
3. Révision des lois de fermeture, en particulier celles décrivant les transferts de masse, de chaleur et de quantité de mouvement entre les particules et la phase gazeuse. Ce travail sera mené en collaboration avec deux doctorantes qui étudient, grâce à des simulations dédiées, les modèles de transferts les plus réalistes à destination du modèle ici discuté.

Cette première partie de la thèse nécessitera le développement et l'analyse de méthodes numériques efficaces pour la résolution des équations de transport couplées multiphasiques (gaz-solide-liquide).

Une fois ce travail effectué sur le code 1D, un outil informatique de modélisation 3D sera développé en prenant appui sur le code NEPTUNE_CFD, développé conjointement par l’IMFT et EDF R&D, dédié aux écoulements multiphasiques réactifs. Il repose sur une approche eulérienne. C’est un logiciel très utilisé pour le domaine thermo-hydraulique ainsi que par les acteurs du nucléaire civil en France (CEA, EDF, FRAMATOME, IRSN).

L’étudiant sera intégré dans une équipe projet de 6 chercheurs du LAAS et de l’IMFT, et deux doctorants.