La transition énergétique impose la recherche de solutions décarbonées, sûres et capables de répondre aux besoins industriels en chaleur et en production d’hydrogène. Dans ce contexte, les poudres métalliques, en particulier l’aluminium (Al) et le fer (Fe), sont des candidats prometteurs pour le stockage et la restitution d’énergie. Ces matériaux possèdent en effet des densités énergétiques volumétriques et massiques très élevées, supérieures à celles des carburants fossiles, tout en présentant l’avantage d’être solides, faciles à stocker et à transporter. L’Al représente un vecteur énergétique stratégique : il peut brûler dans l’air pour libérer une grande quantité de chaleur ; sa combustion dans l’eau ou la vapeur d’eau produit simultanément de la chaleur et de l’hydrogène.

Ces propriétés font de l’Al un candidat sérieux pour alimenter des systèmes de production de chaleur et d’hydrogène à la demande. Néanmoins, malgré un intérêt croissant de la communauté scientifique, aucun modèle physique et numérique fiable ne permet aujourd’hui d’anticiper le comportement d’un nuage de poudre d’aluminium en combustion, ni d’envisager la conception d’un réacteur industriel dédié. Des données expérimentales existent mais proviennent essentiellement d’expériences d’explosion de poudres d’Al (ballons, sphères) dédiées à la sécurité, et ne permettent pas de concevoir ni d’optimiser un réacteur de combustion pour la production d’énergie ou d’hydrogène.

Objectifs de la thèse :

Cette thèse vise à développer un modèle CFD multiphasique permettant de simuler la propagation de flammes dans des nuages d’Al sous différentes conditions de densité massique (rapport masse Al et oxydant) et thermodynamiques (température et pression). Elle aura notamment pour ambition scientifique de :

• décrire le couplage entre gaz environnant et les particules réactives en fonction des conditions de combustion
• fournir un outil numérique pour la conception de réacteurs destinés à la production propre de chaleur ou de H₂ à la demande.

Ce travail se place à l’état de l’art car les modèles proposés à ce jour sont des extrapolations de théories classiques de propagation de flamme, résolues en 1D, avec des hypothèses très restrictives : propriétés thermophysiques constantes, absence de mouvement des particules, milieux supposés infinis et isobares. De telles simplifications ne reflètent pas les phénomènes multiphasiques complexes rencontrés dans un réacteur 3D : couplage gaz/particules, hétérogénéité du nuage, turbulence, fortes variations thermiques, réactions en surface. Cette thèse permettra un incrément indispensable pour pouvoir utiliser ces matériaux pour des applications concrètes.

Axes de travail

• Simulation de l’initiation de la combustion et de la nucléation/croissance d’agrégatsd’oxyde d’alumine dans la flamme et sur les surfaces.
• Établissement de corrélations physiques (flux de chaleur, termes réactionnels, transferts interphases) destinées aux modèles macroscopiques.
• Développement d’un modèle CFD Euler–Euler complet implémenté dans le package NEPTUNE_CFD pour un réacteur 3D brûlant de la poudre d’aluminium.
• Etude des conditions optimales de combustion: rapport oxydant/métal, taille des particules, vitesse d’injection, géométrie, rendement énergétique, risques d’extinction ou d’emballement.

Environnement de travail

La thèse se déroulera entre l’IMFT et le LAAS-CNRS, au sein d’équipes expertes en combustion multiphasique, micro-énergétique et modélisation numérique avancée. Elle bénéficie d’un encadrement pluridisciplinaire (physique, thermodynamique et mécanique des fluides numériques) et d’un contexte applicatif fort (production d’énergie propre).

Postuler : rossi@laas.fr