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Proposition de Postdoctorat : Simulations numériques fines des transferts thermiques entre particules dans les lits fluidisés - Application aux centrales solaires à concentration

Du 1 janvier 2025 au 1 janvier 2026

PROMES-CNRS, Perpignan, France
Contacts : adrien.toutant@univ-perp.fr

Les lits fluidisés circulants possèdent des caractéristiques exceptionnelles en termes de transport et de mélange, de mise en contact entre la phase dispersée et le milieu gazeux, d’inertie thermique et de transfert en parois. Ces caractéristiques les rendent très présents dans le domaine de l’énergie notamment pour le développement de procédés innovants qui répondent aux enjeux de la transition énergétique. Les lits fluidisés circulants gaz-solide sont étudiés par le PROMES comme une alternative aux fluides caloporteurs qui sont utilisés pour transporter la chaleur obtenue à partir du rayonnement solaire dans les centrales solaires à concentration notamment dans le cadre des projets européens CSP2 et Next-CSP [1 - 4]. Dans ce procédé, le rayonnement solaire est concentré sur des tubes verticaux au sein desquels circule un mélange gaz-particules. La compréhension et la maitrise des régimes d’écoulements en jeu, et des transferts thermiques associés, sont les verrous scientifiques.

 travail à réaliser ont été identifiées. La première étape du projet consiste à mettre en place des calculs haute performance de lit-fluidisé fortement anisotherme avec un très grand nombre de particules (>10 000). Celle-ci permettra d’étudier les transferts thermiques à la paroi et notamment d’évaluer, en fonction des vitesses de fluidisation, la répartition du flux thermique à la paroi entre les phases solides et fluides.
La seconde étape consiste à implémenter les transferts radiatifs entre les parois et les particules ou entre les particules au sein de TrioCFD en utilisant la méthode de Front-Tracking. Cette méthode a l’avantage d’utiliser un maillage surfacique mobile pour suivre l’interface fluide/solide. Ce maillage mobile sera utilisé pour le calcul des transferts radiatifs (voir figure 2). Le milieu gazeux étant considéré comme transparent, les particules comme faiblement réfléchissantes et la diffraction pouvant être négligée, la méthode des radiosités et la méthode de Monte-Carlo seront évaluées pour calculer les flux radiatifs nets échangés par chaque surface élémentaire d'une particule et à chaque pas de temps en suivant leur déplacement [6]. Deux possibilités sont envisagées : implémenter une méthode de résolution des transferts radiatifs (radiosités ou Monte-Carlo) au sein de TrioCFD (couplage online) ou coupler TrioCFD avec un autre logiciel existant pour les calculs des transferts radiatifs (couplage offline). Pour cette deuxième possibilité, le maillage surfacique des particules et la température aux interfaces devront être communiqués au logiciel externe. Sur cette partie du travail, l’encadrement sera renforcé par Cyril Caliot (CNRS, LMAP, UPPA) qui possède une expertise sur les modèles et méthodes de résolution des transferts radiatifs. 
La troisième étape du projet consiste dans la mise en œuvre des outils de simulation fine sur des configurations simplifiées mais représentatives de l’application aux centrales solaires à concentration pour analyser et quantifier les phénomènes physiques mis en jeux. Les configurations d’écoulements anisothermes prévues sont :
- L’écoulement d’un gaz à travers un réseau fixe de particules ;
- Un écoulement de type lit-fluidisé gaz-solide à petite échelle.
Les simulations fines seront réalisées avec prise en compte du couplage entre le transport et les transferts thermiques par conduction et rayonnement entre les particules et les parois.