Les particules d’aluminium, en raison de leur haute densité énergétique, sont un combustible métallique couramment utilisé pour augmenter l’impulsion spécifique des propergols solides de fusées. Elles sont également utilisées dans les explosifs pour accroître l’énergie de réaction, ainsi que comme combustible dans les matériaux thermites. L’aluminium est abondant, non toxique et brûle vigoureusement en présence d’oxydants (gazeux, organiques, oxydes métalliques). Ainsi, depuis trois décennies, la recherche sur les mécanismes de combustion des particules d’aluminium constitue un effort continu et soutenu.

La combustion de l’aluminium présente des similitudes avec la combustion de gouttes de carburant liquide, la réaction étant principalement limitée par la diffusion de l’oxydant vers la particule et du métal vaporisé loin de la surface. Une zone de flamme se forme proche de la particule, là où l'oxydant et l’aluminium vaporisé se rencontrent et réagissent. La chaleur générée par cette flamme est ensuite conduite vers la surface de la particule, favorisant ainsi la vaporisation supplémentaire de l’aluminium. Cependant, contrairement aux carburants liquides hydrocarburés, la combustion de l’aluminium aboutit à la formation d’un oxyde en phase condensée influençant la dynamique globale de la combustion. Les réactions hétérogènes qui se produisent à la surface de la particule en combustion, fortement influencées par l’environnement oxydant, restent mal comprises et nécessitent des recherches. Notamment, la condensation d’atomes et de molécules d’oxygène, ainsi que les espèces d’Al sous-oxydées en phase gazeuse, peuvent former des couches barrières (alumine) qui modifient dynamiquement la chimie de surface et la pénétration en sous-surface/volume, modifiant ainsi la réaction de combustion globale. Ce problème, inaccessible aux techniques expérimentales, nécessite une modélisation multi-échelle.

Une doctorante en 2ème année de thèse développe une approche originale de simulation numérique directe (DNS) avec résolution de la couche limite autour des particules, afin de mieux comprendre la combustion des particules d'aluminium dans un flux d'air, pour des nombres de Reynolds variant de 0,1 à 100. Cette approche s’appuie sur une formulation monophasique des équations de Navier-Stokes, couplée à une chimie détaillée en phase gazeuse, sous OpenFOAM. Sur ce sujet, la doctorante souhaite un appui scientifique pour approfondir certains aspects du modèle. Un premier aspect vise le couplage du modèle CFD avec un modèle thermique pour prendre en compte l’échauffement de la particule au contact des gaz de combustion. Un deuxième aspect pourra porter sur les aspects numériques et l’implémentation du modèle sur supercalculateur. Un troisième sujet pourrait s’attacher à mettre en œuvre une étude paramétrique pour quantifier les mécanismes prédominants (convection vs diffusion) en fonction des Reynolds.

Dans ce contexte, plusieurs stages sont possibles niveau licence, master ou césure d’école ingénieur.

Profil du candidat :

Vous êtes en formation école d’ingénieur ou université orientée thermodynamique, mécanique des fluides et êtes à la recherche d’un stage. Il convient d’avoir un bon niveau en programmation (C++) et connaitre les méthodes de résolution numériques