MousC-ETherM- Propriétés de transfert dans les mousses solides : Caractérisation expérimentale et modélisation pour l'échange et la conversion d'énergie thermique

MousC-ETherM- Transfer properties in solid foams : Experimental characterization and modelization for exchange and thermal energy conversion

• Auteur / Autrice : Pierre Lea
• Direction : Hervé Pron, Jaona Harifidy Randrianalisoa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et énergétique
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux (ITheMM) - EA 7548
• Jury : Président / Présidente : Franck Enguehard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Pron, Jaona Harifidy Randrianalisoa, Frédéric Topin, Gilles Parent, Jean-François Henry, Sophia Haussener, Agnès Delmas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Topin, Gilles Parent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Transfert de chaleur

Transfert d'énergie

Effets de la chaleur

Mousse (chimie)

Mots clés libres

Simulation numérique

Caractérisation expérimentale

Milieux poreux

Mousses céramiques

Modélisation

Propriétés effectives de transport

Numerical simulation

Experimental characterization

Porous media

Ceramic foams

Modelisation

Effective transport properties

Résumé

Les mousses solides à pores ouverts sont des matériaux à forte porosité et à surface spécifique élevée. Ces matériaux à deux phases aux caractéristiques spécifiques suscitent beaucoup d’intérêt, en particulier dans le domaine de l'énergie, où les mousses céramiques apparaissent comme des matériaux clés pour l’échange de chaleur, l’intensification des précédés thermochimiques, et la conversion d'énergies chimique-thermique ou solaire-chaleur. En effet, les mousses céramiques constituent des échangeurs thermiques pour transférer la chaleur résiduelle récupérée des processus hautes températures (centrales nucléaires, chaudières à biomasse, fonderies, etc.) via un fluide caloporteur. Ces matériaux poreux peuvent agir également en tant qu’absorbeurs volumétriques solaires et échangeurs thermiques pour restituer la chaleur absorbée au travers d’un fluide caloporteur. Enfin, les mousses céramiques constituent un support de catalyseurs ayant de faible perte de charge pour l’intensification des procédés thermochimiques (pyrolyse catalytique, reformage de biogaz ou de méthane, purification de biogaz, filtre à particules, etc.). Pour toutes ces applications, la bonne connaissance des propriétés thermo-aérauliques de ces matériaux est fondamentale afin d’optimiser les systèmes.Malgré de nombreux travaux dans le domaine, l'état de l'art actuel montre que les propriétés effectives d’échange, représentatives des phénomènes de transport dans les mousses, sont dépendantes des approches multi-échelles et des hypothèses utilisées pour les caractériser. De ce fait, les relations propriétés/structure présentes dans la littérature possèdent un champ d’utilisation limité. Ce projet de thèse dit « MousC-ETherM » vise à développer des dispositifs expérimentaux et des outils numériques avancés pour caractériser les écoulements et le transfert de chaleur en milieu poreux, avec des approches aux différentes échelles, de l’échelle du pore à l’échelle macroscopique de Darcy. L’objectif consiste à comparer, au travers de l’évaluation des propriétés effectives que sont les coefficients de pertes de charge, les conductivités thermiques effectives, le coefficient d’échange solide-fluide et les propriétés radiatives, la validité et les limites des approches utilisées.Sur le plan expérimental, des méthodes stationnaires ont été développées pour caractériser les propriétés d'échange en situation d'équilibre et de non-équilibre thermiques. Sur le plan théorique, des simulations multi-physiques à l’échelle du pore ont été réalisées au sein de structures de mousses reconstruites à l’aide d’une technique d’imagerie par tomographie à rayons X. A partir des données acquises sur les mousses et de conclusions dégagées au cours de ces travaux, une application à des niveaux de température modérés (de l’ambiante à 300°C) a été développée afin d’éprouver une approche combinant un banc expérimental et un modèle numérique de détermination des propriétés effectives en condition de couplage des phénomènes de transport.

Open-cells solid foams are materials with high porosity and high surface area. These two-phase materials with specific characteristics arouse much interest, particularly in the energy field, where ceramic foams appear as key materials for heat exchange, intensification of thermochemical processes, and chemical-thermal or solar-heat energies conversion. Indeed, ceramic foams constitute heat exchangers to transfer residual heat recovered from high temperature processes (nuclear power plants, biomass boilers, foundries, etc.) via a heat transfer fluid. These porous materials can also act as solar volumetric absorbers and heat exchangers to return the absorbed heat to a heat transfer fluid. Finally, ceramic foams constitute a catalyst support with a low pressure drop for the intensification of thermochemical processes (catalytic pyrolysis, reforming of biogas or methane, purification of biogas, particulate filter, etc.). For all these applications, a good knowledge of the thermo-aeraulic properties of these materials is fundamental in order to optimize these systems.Despite numerous works in this field, the current state of the art shows that the effective exchange properties, representative of transport phenomena in foams, are dependent on multi-scale approaches and the assumptions used to characterize them. As a result, properties/structure relationships found in the literature have a limited range of applicability. This thesis project called ''MousC-ETherM'' aims to develop experimental devices and advanced numerical tools to characterize flows and heat transfer in porous media, with approaches at different scales : from the pore scale to the Darcy's macroscopic scale. The objective consists in comparing, through the evaluation of the effective properties such as the pressure drop coefficients, the effective thermal conductivities, the solid-fluid exchange coefficient and the radiative properties, the validity and the limits of both approachesOn the experimental side, stationary methods have been developed to characterize the exchange properties in thermal equilibrium and non-equilibrium situations. Theoretically, pore-scale multi-physics simulations have been performed within foam structures reconstructed with an X-ray tomography imaging technique. From data acquired on foams and conclusions drawn during this work, an application at moderate temperature levels (from ambient to 300 ° C) was developed in order to test an approach combining an experimental bench and a numerical model for determining the effective properties under coupling conditions of transport phenomena.