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Contribution à la modélisation thermique et dynamique d'écoulements oscillants appliqués au tube à gaz pulsé

Description

Le tube à gaz pulsé est un type de refroidisseur très fiable utilisé pour produire du froid à basse température à partir d'un mouvement oscillatoire. Les tubes à gaz pulsés classiques se composent d'un générateur d'onde de pression, d'un régénérateur (milieu poreux qui stocke puis relâche l'enthalpie du gaz pendant les oscillations du gaz), de deux échangeurs chauds qui évacuent de la chaleur, d'un échangeur froid qui absorbe la chaleur et d'un « tube à pulsation » où le gaz se compresse puis se détend. En plus, un système déphaseur, typiquement un capillaire (inertance) avec un volume tampon, est nécessaire pour un fonctionnement efficace de ces systèmes.

La compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans ces machines est complexe car le fluide est compressible, toutes les grandeurs sont oscillantes, le milieu poreux génère un gradient de pression et de température dans le régénérateur, ce qui crée des déphasages de pression et de vitesse. Pour atteindre les plus basses températures, inférieure à 20 K, la réalisation comme la modélisation sont plus complexes car d’une part le gaz ne peut plus être considéré comme parfait et d’autre part il est nécessaire d’utiliser des matériaux spécifiques. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension et l’évaluation des effets thermiques et hydrodynamiques  dans ces systèmes à l'aide de simulations numériques et de mesures expérimentales afin d'aider à la conception des futurs tubes à gaz pulsé.

Différentes méthodes de simulation de tube pulsé sont connues et disponibles (logiciel SAGE, REGEN, DeltaEC). Un code analytique 1D a également été développé en interne. Il se base sur la matrice de transfert pour la pression et le débit massique. Une méthode numérique 1D a également été développée conjointement entre le SBT et le CETHIL. La méthode doit encore être consolidée.

Dans un premier temps, ces solutions seront évaluées en fonction de nos objectifs numériques. Cette revue devrait mettre l'accent sur les avantages et les inconvénients de chaque solution et permettre de sélectionner l'outil le plus approprié pour y intégrer les points suivants :

    • l'hélium se comporte comme un gaz réel aux faibles températures (en dessous de 20 K),

    • des matériaux spécifiques avec des chaleurs spécifiques élevées ou présentant des anomalies (terres rares par exemple) doivent être utilisés,

    • la géométrie de la grille du régénérateur doit autant que possible être prise en compte puisqu'elle joue un rôle significatif pour atteindre de tels niveaux de température.

La solution sélectionnée pourra faire l'objet de développements complémentaires notamment pour y inclure des échanges thermiques avec les parois des composants.

Dans un deuxième temps, un banc expérimental sera proposé pour mesurer le transfert de chaleur entre l'hélium et le régénérateur ou le tube à pulsation ou l'échangeur dans un champ de température donné en écoulement permanent et oscillant. Ces essais permettront d'ajuster la méthode numérique afin qu'elle soit la plus fidèle aux résultats expérimentaux et permettre d'avoir un outil de prédiction précis pour le design des futurs tubes à gaz pulsés.

La thèse se déroulera en partie à l'INSA/CETHIL (Lyon) pour l'expertise numérique et au CEA/SBT (Grenoble) pour l'expertise sur les tubes à gaz pulsés. En effet, le CEA/SBT a une expertise de plus de 20 ans sur le développement de tube à gaz pulsé avec une forte composante expérimentale. De son côté, le CETHIL possède une expertise dans le développement de simulation numérique des transferts thermiques en milieu fluide.

Profil

Le(La) candidat(e) recherché(e) doit être titulaire d'un master ou d'un diplôme d'ingénieur dans le domaine de la thermique, de la mécanique ou de l’énergétique. Il(Elle) doit posséder de solides connaissances en thermodynamique, transferts thermiques et en programmation avec un intérêt pour les machines thermiques et la physique. 

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : CEA/SBT et INSA CETHIL
Directeur(rice) de thèse/recherche : Xin Shihe
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : shihe.xin@insa-lyon.fr
Responsable Cnes de l'offre : DANIEL Christophe

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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