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Étude des écoulements oscillants à l'intérieur d'un régénérateur de type réticulaire : impacte des dimensions internes sur la fréquence de travail

Description

Contexte sociétal et scientifique

Les satellites d’astrophysique ou d’observation de la terre nécessitent des cryoréfrigérateurs pour refroidir leurs détecteurs. Ces dispositifs doivent répondre aux exigences d’un encombrement et masse réduites, entre autres. Les tubes à gaz pulsé (TGP) sont des cryoréfrigérateurs adaptés aux applications spatiales par sa fiabilité. Une réduction de sa taille passe par une hausse de la fréquence de travail.

Le cœur du fonctionnement d’un TGP est constitué par un régénérateur. Des chercheurs soutiennent qu’une hausse de la fréquence de travail (normalement située entre 30 et 50 Hz) amplifie les pertes mécaniques à l’intérieur du régénérateur, en dégradant les performances du TGP. Les travaux de Lopes et Vanapalli montrent qu’une diminution du diamètre hydraulique interne et du volume mort du régénérateur favorise l’augmentation de la fréquence de travail.

Les structures classiques des régénérateurs (des tissus métalliques ou des billes) laissent très peu de marge à la miniaturisation et à l’optimisation géométrique. Selon des études numériques, des nouveaux types de régénérateurs composés d’un réseau d’éléments profilés  peuvent dépasser les performances des régénérateurs classiques. Ce type de régénérateur peut être reproduit par des techniques de micro fabrication en silicium.

Dans les dernières années, le SBT et le LEGI ont collaboré à travers une thèse financée par LANEF pour l’étude de ce type de régénérateurs.  Dans cette thèse, que sera soutenue fin octobre (par M. Arkadii SOCHINSKII), on a réalisé une simulation numérique directe de l’écoulement et transfert de chaleur à travers de ce type de structures. Parallèlement, nous avons fait une étude expérimentale hydrodynamique qui a validé le modèle numérique.

Consortium

Ce projet sera mené par le SBT (représenté par Manuel MEDRANO MUÑOZ) en collaboration avec le LEGI (représenté par Damien COLOMBET).

Le SBT a une forte expertise et reconnaissance dans le développement de tubes à gaz pulsé. Il collabore avec des agences spatiales et des industriels français et européens (CNES, ESA, Air Liquide, Thales Cryogenics BV, entre autres).

Le LEGI est une UMR ayant des activités de recherche en Mécanique des Fluides et Transferts qui s’appuient sur une combinaison d’approches méthodologiques alliant modélisation, expérimentation, simulation numérique à hautes performances.

Programme et structuration du projet

Cette thèse, qui fera la suite des thèses précédentes (Lopes et Sochinskii), va se focaliser sur les aspects hydrodynamiques d’un écoulement oscillant à l’intérieur d’un régénérateur du type réticulaire. Nous prévoyons les étapes suivantes :

  1. 9 mois : adaptation du banc de mesure de pertes de charge développé durant la thèse précédente (Sochinskii) pour permettre l’étude en régime oscillant. Le verrou technique le plus important sera la mesure des débits instantanés. Une des possibles solutions envisageable est l’utilisation d’un anémomètre à fil chaud. Le SBT et le LEGI possèdent déjà une expérience importante dans l’utilisation de ces techniques.
  2. 6 mois : microfabrication des régénérateurs dans la salle blanche. Il faudra d’abord définir la géométrie pour la fabrication des masques. La technique de gravure DRIE est maîtrisée par notre équipe et nous l’avons déjà employé avec succès pendant la thèse précédente. Ces travaux seront menés sur les deux plateformes de nanofabrication grenobloises (Nanofab/CNRS et PTA/CEA).
  3. 18 mois : campagne de mesure et analyse de l’influence de la structure interne du régénérateur (porosité, diamètre hydraulique, etc) sur les pertes d’un écoulement oscillant. Nous explorerons les effets  de la fréquence, de la pression nominale et de la vitesse d’écoulement sur le facteur de frottement. L’objectif est de trouver la configuration la plus adaptée pour une hausse de la fréquence de travail.
  4. 9 mois : nous envisageons de réaliser une étude numérique. L’objectif sera de tirer parti des développements numériques précédents pour étudier le cas oscillant. Le but de ce travail sera d’identifier la formulation la plus adaptée pour décrire les variations du facteur de frottement en régime oscillant.
  5. 6 mois : si le temps le permet et en fonction d’autres travaux menés en parallèles sur le transfert de chaleur, quelques essais seront réalisés afin d’orienter par la suite ces recherches vers une étude en écoulement oscillant

Profil

Le candidat recherché doit être en possession d’un diplôme d’ingénieur ou de Master dans le domaine de la thermique, de la mécanique ou de l’énergétique. Il ou elle doit posséder un bon dossier scolaire avec des connaissances en thermodynamique, transfert thermiques et avoir goût pour l’expérimental.

Les connaissances en programmation et micro fabrication seront très valorisantes.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : SBT
Directeur(rice) de thèse/recherche : LUCHIER Nicolas
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : nicolas.luchier@cea.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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