Dans de nombreux domaines les milieux granulaires sont le siège de phénomènes physiques complexes. L’aspect multiéchelle de leur microstructure rend la prédiction et la modélisation des transferts thermiques et de leurs propriétés non triviales à évaluer. Dans le cas des poudres céramiques, il n’est pas rare d’avoir à considérer des poudres fortement polydispersées dont la taille des grains s’étend sur plusieurs ordres de grandeurs. Dans ces conditions, les différentes tailles de porosité et la multiplicité des surfaces de transfert de chaleur rendent l’évaluation et la simulation des propriétés thermiques des poudres complexe à calculer.

Pour ce faire des lois empiriques homogénéisées sont communément utilisées. Elles permettent un calcul rapide des propriétés mais reposent sur un certain nombre de paramètres empiriques qui en limitent leur domaine d’application. Les outils de simulation, comme la méthode DEM/FFT [1], permettent de décrire plus finement la microstructure de l’empilement granulaire au prix d’un cout de calcul plus important. Ces méthodes sont utilisées pour challenger les modèles et mieux comprendre la compétition entre les différents modes de transferts thermiques dans l’empilement (conduction dans le gaz, conduction dans les grains, conductance au contact entre les grains, rayonnement etc).

Afin de tester les modèles et les outils de simulation et les améliorer, une précédente thèse a été conduite sur l’effet de la taille des grains et de l’atmosphère sur la conductivité thermique équivalente [2]. Elle a permis de mieux comprendre la compétition entre les transferts thermiques de différentes échelles de porosités et de l’effet de la pénétration du gaz dans la microstructure et a permis de proposer de nouveaux modèles de conductivité thermique équivalente.

Cette thèse se positionne comme la suite de la précédente et a pour but d’étudier l’influence de la granulométrie de la répartition des grains sur la conductivité du milieu granulaire. Elle comportera un volet expériences pour acquérir des données fiables et maitrisées et un volet simulation/modélisation pour mieux comprendre et modéliser la thermique dans ces milieux. Elle sera réalisée en collaboration entre le département d'études des Combustibles (Institut IRESNE, CEA Cadarache) et l'IUSTI à Marseille. La partie expérimentale sera réalisée à l’IUSTI et les simulations sur les calculateurs du CEA Cadarache. Une attention particulière sera portée sur l’analyse des incertitudes de mesure et de simulation.

Ce sujet, qui intéresse de nombreux domaines industriels comme la production ou la transformation de l’énergie, les échangeurs de chaleur ou bien encore le génie des procédés, permettra de valoriser facilement les compétences acquises à l’issue de la thèse, que ce soit dans l’industrie ou en recherche académique.

[1] Calvet, T., Vanson, J. M., & Masson, R. (2022). A DEM/FFT approach to simulate the effective thermal conductivity of granular media. International Journal of Thermal Sciences, 172, 107339.

[2] Letessier, J., Gheribi, A. E., Vanson, J. M., Duguay, C., Rigollet, F., Ehret, N., ... & Gardarein, J. L. (2023). Thermal transport-porosity-microstructural characteristics: unpicking the relationship in ultra-porous a-Al2O3 powder. International Journal of Heat and Mass Transfer, 205, 123898.