Thèse Interactions Entre Turbulence et Température dans les Systèmes Solaires à Concentration Itt H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Perpignan Via Domitia École doctorale : Energie et Environnement Laboratoire de recherche : PROcédés, Matériaux et Energie Solaire Direction de la thèse : Françoise BATAILLE ORCID 0000000344708636 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-08T23:59:59 Ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension et la modélisation des écoulements turbulents soumis à de forts gradients thermiques au sein des récepteurs solaires thermiques (T) et hybrides photovoltaïques-thermiques (PVT) utilisés pour la conversion de l'énergie solaire concentrée.
Des processus physiques originaux se développent dans ces systèmes. Ils sont liés au mode de chauffage du fluide caloporteur, qui s'échauffe soit au contact d'une paroi à haute température absorbant le rayonnement solaire concentré soit dans un volume soumis directement au rayonnement. Ces configurations induisent des interactions entre la turbulence et les gradients thermiques qu'il s'agit d'élucider au plan théorique et de valider expérimentalement. Le projet sera ainsi développé selon des approches théorique, numérique et expérimentale. Plusieurs niveaux de modélisation seront mis en oeuvre. Dans le contexte énergétique actuel, le développement des procédés de conversion des énergies renouvelables, en particulier le solaire est crucial. La conversion photovoltaïque de l'énergie permet la production d'électricité et la conversion thermique la production de chaleur à différents niveaux de température. Ces deux modes de conversion sont donc complémentaires en termes de type de vecteur énergétique produits mais également au plan du stockage de l'énergie. En effet, l'électricité peut être stockée efficacement quelques heures et la chaleur quelques jours (et plus). Ces systèmes de conversion peuvent être déployés séparément ou de façon combinée, on parle alors de systèmes hybrides.
Le projet ITT aborde des verrous de recherche fondamentale dont le déblocage permettra d'optimiser la production de chaleur solaire. L'objectif de ce projet de thèse porte sur la compréhension des interactions fondamentales entre turbulence et transfert thermique en régime de convection forcée, rencontrées dans les récepteurs solaires mis en oeuvre dans les systèmes de conversion thermique et hybride à haute concentration. Pour atteindre cet objectif, un travail expérimental, théorique et numérique sera réalisé.
En ce qui concerne la partie théorique et numérique, nous nous intéressons aux spectres d'énergie turbulente, qui décrivent les transferts d'énergie entre les différentes échelles de la turbulence grâce à un modèle spectral de type EDQNM (Eddy Damped Quasi-Normal Markovian). Ce travail a débuté dans le cadre de la thèse en cours de Léa Cherry (X19), financée par l'Ecole Polytechnique. Il a permis d'établir des équations d'évolution pour les spectres dynamique, thermique et croisé [1]. Il demande maintenant à être exploité numériquement puis complété pour des situations plus proches des écoulements réels.
D'autre part, un travail expérimental fondamental a été initié et va être développé dans le cadre de cette thèse. Il consiste à insoler un fluide absorbant avec un flash de rayonnement solaire (temps caractéristique de 1 s et densité de flux de l'ordre de 5 à 10 MW/m2) afin de créer un fort gradient de température moteur d'un mouvement du fluide.

Au plan applicatif, l'objectif est de déduire les travaux précédents les conditions opératoires permettant d'optimiser les transferts thermiques et, en conséquence, le rendement de conversion de l'énergie solaire en vecteurs énergétiques tels que la chaleur et l'électricité.

[1] Cherry, L., Flamant, G., Bataille, F., 2025. Analytical developments for turbulent flows subjected to strong temperature gradients. International Communications in Heat and Mass Transfer 162, 108550.
Les écoulements turbulents révèlent une structure très complexe en particulier en présence de gradients thermiques. Les différentes quantités caractéristiques de l'écoulement présentent un aspect aléatoire. La technique généralement employée consiste à adopter une représentation statistique de la turbulence qui permet d'accéder directement à des grandeurs globales caractéristiques sans passer par les réalisations complètes des champs turbulents, obtenus - par exemple - avec des simulations numériques directes. Cette approche introduit en contrepartie un problème de fermeture, c'est-à-dire que le nombre d'inconnues est alors supérieur au nombre d'équations. De nombreuses tentatives de fermeture sont proposées depuis les modèles en un point jusqu'à des théories plus sophistiquées, reposant sur des approches basées sur une description des champs turbulents par des corrélations statistiques en plusieurs points, tels que les modèles spectraux de type EDQNM.
Les objectifs théorique et numérique de cette thèse sont le développement d'une modélisation EDQNM d'un écoulement turbulent en présence de forts gradients thermiques dus au chauffage asymétrique (une seule paroi est chauffée). La prise en compte du rayonnement dans le cas d'un écoulement constitué d'un gaz absorbant (type CO2) dans la modélisation EDQNM sera également envisagée.

En ce qui concerne la partie expérimentale, des essais préliminaires ont été réalisées en utilisant un four solaire de petite puissance pour générer un gradient de température dans un volume de nanofluide de faible profondeur. Ce nanofluide est une suspension de nanoparticules de graphène dans l'eau. Il absorbe 85 % du rayonnement solaire sur une épaisseur de 1 cm pour une concentration de graphène 0,75 g/L. Cette absorption peut être contrôlée en modifiant la concentration des particules de graphène. Les essais ont été réalisés en imposant à la surface du nanofluide une irradiation solaire flash (de l'ordre de la seconde). Le fluide est soumis à un rayonnement de l'ordre de 10 MW/m2 sur une surface de 1 cm de diamètre. Ce rayonnement est absorbé et provoque un échauffement local très rapide. L'observation par caméra thermique a révélé la création de « plumes thermiques » qui, en se développant, peuvent générer un régime turbulent. Ces plumes n'apparaissent pas pour des gradients de température trop faibles, ce qui laisse supposer l'existence d'une transition entre différents régimes de d'écoulements et de transferts thermiques, passant d'une dominante conductive à une dominante convective.

Formation solide (niveau ingénieur) en mécanique des fluides et en transferts thermiques.
Gout pour l'expérimental et les développements théoriques.