Modélisation multi-échelle des milieux poreux réactifs à haute température appliquée aux protections thermique spatiale et à la pyrolyse de la biomasse. - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Numerical modeling of reactive porous materials interacting with high-temperature flows in support of the biomass, space, and fire communities

Modélisation multi-échelle des milieux poreux réactifs à haute température appliquée aux protections thermique spatiale et à la pyrolyse de la biomasse.

Hermes Scandelli
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1240331
  • IdRef : 268579970

Résumé

Numerous technologies in development rely on porous materials: heat exchangers for solar concentrators, biofuel production processes, new generation energy storage as fuel cells and supercapacitors, space vehicle heat shields, etc. Chemical engineers and researchers at the forefront of their own fields and leading 21st century innovation would greatly benefit from fundamental developments in heat and mass transfer to reinforce application-specific phenomenological models. The objective of this PhD project is to contribute to the development of a generic theoretical and numerical framework to assess and model mass, momentum, and heat exchanges between an elastic and reactive solid structure interacting with a high temperature flow. The primary applications targeted are the thermal conversion of biomass into biofuel, the prediction of fire behavior in a closed environment, and the design of heat shield for atmospheric entry vehicles. The study consists of two interrelated parts relying on a multi-scale approach: (1) direct numerical simulations are carried out at the microscopic scale on digitalized images to define numerical strategies for the evaluation of the effective properties; (2) numerical simulations are performed on a macroscopic scale to address the targetted applications where the material description is coupled with the external environment. The theoretical and numerical contributions of the PhD have been implemented in the Porous material Analysis Toolbox based on OpenFoam (PATO) released open source by NASA.
De nombreuses technologies en développement reposent sur des matériaux poreux : échangeurs de chaleur pour les concentrateurs solaires, processus de production de biocarburants, stockage d'énergie de nouvelle génération comme les piles à combustible et les supercondensateurs, boucliers thermiques des véhicules spatiaux, etc. Les ingénieurs chimistes et les chercheurs à l'avant-garde de leur propre domaine et à la pointe de l'innovation du 21e siècle bénéficieraient grandement des développements fondamentaux en matière de transfert de chaleur et de masse pour renforcer les modèles phénoménologiques spécifiques aux applications. L'objectif de ce projet de thèse est de contribuer au développement d'un cadre théorique et numérique générique pour évaluer et modéliser les échanges de masse, de quantité de mouvement, et de chaleur entre une structure solide élastique et réactive interagissant avec un flux à haute température. Les principales applications ciblées sont la conversion thermique de la biomasse en biocarburant, la prédiction du comportement du feu dans un environnement fermé, et la conception de boucliers thermiques pour les véhicules d'entrée. L'étude se compose de deux parties interdépendantes reposant sur une approche multi-échelle: (1) des simulations numériques directes sont effectuées à l'échelle microscopique sur des images numérisées afin de définir des stratégies numériques pour l'évaluation des propriétés effectives; (2) des simulations numériques sont effectuées à l'échelle macroscopique pour aborder les applications ciblées où la description du matériau est couplée à l'environnement externe.Les contributions théorique et les fonctionnalités numériques développées au cours de la thèse ont été intégrées dans le logiciel Porous material Analysis Toolbox based on OpenFoam (PATO) distribué sous licence open source NASA.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04042460 , version 1 (23-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04042460 , version 1

Citer

Hermes Scandelli. Modélisation multi-échelle des milieux poreux réactifs à haute température appliquée aux protections thermique spatiale et à la pyrolyse de la biomasse.. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. HESAM Université, 2022. Français. ⟨NNT : 2022HESAE051⟩. ⟨tel-04042460⟩
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