Simulation numérique des écoulements de fluides cryogéniques en ébullition

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action, articulée autour de quatre priorités stratégiques : CLIMAT, ENVIRONNEMENT ET ÉCONOMIE CIRCULAIRE, ÉNERGIES RENOUVELABLES, MOBILITÉ DURABLE et HYDROCARBURES RESPONSABLES.

L’engagement d’IFPEN en faveur d’un mix énergétique durable se traduit par des actions visant :

• à gagner en efficacité énergétique ;
• à réduire les émissions de CO2 et de polluants ;
• à améliorer l’empreinte environnementale de l’industrie et des transports ;

tout en répondant à la demande mondiale en mobilité, en énergie et en produits pour la chimie.

Dans cet objectif, IFPEN développe des solutions permettant, d’une part, d’utiliser des sources d’énergie alternatives et, d’autre part, d’améliorer les technologies existantes liées à l’exploitation des énergies fossiles.

Simulation numérique des écoulements de fluides cryogéniques en ébullition

L’utilisation des fluides cryogéniques tels que l’hydrogène liquide (LH₂) comme carburant alternatif aux hydrocarbures fossiles dans le domaine du transport introduit de nouveaux défis technologiques, notamment en ce qui concerne son stockage et son acheminement jusqu’à la chambre de combustion des moteurs (poids lourds, compétition, aéronautique et fusée).

Par exemple, le stockage du LH₂ à la pression atmosphérique et à 20 K est une option intéressante, car il réduit le risque d'explosion et la taille des réservoirs grâce à sa haute densité énergétique.

Ces dispositifs impliquent généralement le transfert de liquides cryogéniques d'un réservoir de stockage de grand volume vers les moteurs à l'aide de conduites assez bien isolés thermiquement. Cependant, la prise en compte de l’ébullition lors de ce transfert n’est pas encore bien comprise et nécessite donc des études et analyses numériques approfondies utilisant des logiciels CFD avancées.

Les conditions d'ébullition sévères des écoulements cryogéniques font de la simulation numérique 3D un outil incontournable pour la conception de systèmes de moteurs pour les transports terrestres, aériens et spatiaux.

Dans ce stage, nous explorerons les méthodes numériques diphasiques du logiciel CONVERGE de type "Real Fluid" (RFM) et "Volume of Fluid" (VOF) pour étudier les écoulements cryogéniques en ébullition qui se produisent dans les conduites de distribution en aval du réservoir et avant le moteur. Pour cela, des configurations académiques pour lesquelles des mesures expérimentales sont disponibles dans la littérature seront simulées et comparées avec les modèles RFM et VOF.

Le stagiaire sera amené à réaliser des simulations afin de tester la capacité de ces deux types de modélisations à reproduire les processus de nucléation sur les parois des conduites chauffées ainsi que les différents régimes d’écoulements diphasiques observés expérimentalement. En particulier, l’importance de la prise en compte de la tension de surface à l’interface liquide-gaz-solide en présence de changement de phase sera étudiée.

Profil recherché :

Master M2 recherche

• Connaissance des fondamentaux de la mécanique des fluides et de la CFD (théorique et/ou pratique). Idéalement avec une première expérience en CFD dans le cadre d'un stage ou d'un projet avec un logiciel de recherche ou commercial.
• Expérience des langages de programmation (idéalement Python et C++).

Mots-clefs : hydrogène, cryogénique, CFD, VoF

Lieu du stage : Rueil-Malmaison

Personnes à contacter pour postuler : Dr. Al Hassan Afailal (R10); Dr. Chaouki Habchi (R11) ; Dr. Victor Boniou (R11)