H/f doctorant en modélisation de la combustion turbulente des e-combustibles

Informations générales

Intitulé de l'offre : H/F Doctorant en modélisation de la combustion turbulente des e-combustibles
Référence : UPR288-BENFIO-003
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : GIF SUR YVETTE
Date de publication : jeudi 25 septembre 2025
Type de contrat : CDD Doctorant
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 décembre 2025
Quotité de travail : Complet
Rémunération : La rémunération est d'un minimum de 3800 € mensuel
Section(s) CN : 10 - Milieux fluides et réactifs : transports, transferts, procédés de transformation

Description du sujet de thèse

Contexte énergétique et environnemental
Le changement climatique et la dégradation de l’environnement constituent des menaces réelles pour le monde, la combustion représentant la principale source de pollution de l’air et un important contributeur aux émissions de carbone. Ce scénario pousse le secteur énergétique mondial à passer des systèmes de production d’énergie basés sur les combustibles fossiles à des sources d’énergie renouvelables. De plus, les nouvelles réalités géopolitiques et du marché de l’énergie exigent également une accélération drastique de la transition énergétique afin de réduire la dépendance de l’Europe vis-à-vis de fournisseurs peu fiables et de combustibles fossiles volatils – comme le prévoit le plan REPowerEU, publié par la Commission européenne en mai 2022, visant à rendre l’Europe indépendante des combustibles fossiles russes bien avant 2030.
Les e-carburants (carburants synthétiques, power-to-x ou powerfuels) sont des carburants liquides ou gazeux d’origine synthétique dans lesquels l’électricité renouvelable est convertie en énergie chimique sous forme de combustibles respectueux du climat. L’adoption des e-carburants, produits à partir d’électricité, est désormais largement reconnue comme une étape essentielle pour atteindre les objectifs du Pacte vert (Green Deal) et de REPowerEU. Un autre avantage majeur des e-carburants est qu’ils peuvent être intégrés dans les infrastructures existantes.
Enjeux scientifiques
Les ingénieurs chargés de la conception des futures chambres de combustion industrielles alimentées par e-carburant ont besoin d’outils de calcul de haute fidélité pour sélectionner les conditions de fonctionnement appropriées et optimiser la géométrie du brûleur. Une difficulté majeure est liée à la complexité de la chimie de la combustion (Sorrentino et al., 2024). Par exemple, les schémas chimiques détaillés de la combustion de l’ammoniac ou du méthanol nécessitent des centaines d’espèces et des milliers de réactions pour obtenir une prédiction précise de la formation des oxydes d’azote. Pour des raisons de temps de calcul, les mécanismes détaillés décrivant cette chimie complexe doivent être réduits avant d’être utilisés dans les codes de CFD (Fiorina et al., 2015).
Une méthode intéressante est celle de la chimie virtuelle, dont le principe est détaillé dans (Cailler et al., 2017). L’originalité de l’approche réside dans l’introduction d’espèces et de réactions virtuelles dont les propriétés thermodynamiques et chimiques sont optimisées par des algorithmes d’apprentissage automatique afin de reproduire les propriétés de flammes de référence rassemblées dans une base d’apprentissage. Un schéma virtuel comprend un bloc principal qui modélise la libération de chaleur de la flamme et des sous-mécanismes chacun dédié à un polluant particulier. Des sous-mécanismes cinétiques virtuels ont jusqu’à présent été développés par EM2C pour prédire des polluants tels que le monoxyde de carbone (Maio et al., 2019), les oxydes d’azote (Maio et al., 2020) et les particules de suie (Maldonado et al., 2021). Un schéma virtuel efficace reste à développer pour la chimie CH4-H2-air.
La deuxième difficulté est due au régime d’écoulement turbulent rencontré dans les applications pratiques. En raison des limites de la puissance de calcul disponible, les petites échelles spatiales et temporelles ne sont pas résolues dans une simulation CFD d’une chambre de combustion industrielle et doivent être modélisées. Plusieurs études ont montré que la chimie virtuelle combinée à l’approche LES (Large Eddy Simulation) est efficace pour simuler des régimes de flamme complexes rencontrés dans des chambres de combustion industrielles non adiabatiques. Ces schémas virtuels ont été introduits dans des codes de simulation CFD à grande échelle. La stratégie de couplage est basée sur le modèle de flamme épaissie pour LES (TFLES) (Colin et al., 2000), bien adapté aux flammes prémélangées ou partiellement prémélangées, caractéristiques des régimes rencontrés dans les combusteurs aéronautiques. Des exemples de simulation de la formation de monoxyde de carbone et d’oxydes d’azote dans des flammes représentatives de combusteurs de turbines à gaz ont ainsi été obtenus.
Objectifs de la thèse
L’objectif est d’abord de développer et valider un schéma chimique virtuel pour la combustion de deux e-carburants : l’ammoniac et le méthanol. Ensuite, ce schéma virtuel sera couplé avec un modèle de combustion turbulente afin de réaliser des simulations LES de flammes turbulentes alimentées par e-carburant. La méthode sera validée en comparant les solutions issues de la chimie virtuelle aux données expérimentales. Les simulations de flammes turbulentes seront conduites par le doctorant chez Safran Tech, avec pour objectif de transférer la méthode à notre partenaire industriel, particulièrement intéressé par la prédiction de la formation des oxydes d’azote.

Contexte de travail

Le doctorat se déroulera au laboratoire EM2C-CNRS, situé à CentraleSupélec, Université Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, France).
L’étudiant recruté sera inscrit dans un programme de doctorat de 3 ans à l’Université Paris-Saclay.
Deux périodes de mobilité sont prévues pour chaque candidat : une mobilité de 12 mois à la Polytechnic University of Milano et une mobilité de 3 mois chez Safran Tech.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

NA