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Descriptif succinct des offres de stages type Recherche niveau M2 au LEMTA ou en partenariat avec le LEMTA
Les sujets présentés plus loin sont classés par groupe de recherche du LEMTA :
Milieux Fluides, Rhéophysique ;
Énergie et Transferts ;
Vecteurs énergétiques ;
IRM pour l’ingénierie.
Ils sont décrits brièvement et accompagnés des coordonnées de la personne à l’origine du sujet. Cela vous permettra d’en savoir plus si vous êtes intéressés, et de poser votre candidature directement.
Année universitaire 2019/2020
Groupe de recherche « Milieux Fluides, Rhéophysique »
MFE-I Intitulé : Etude de la convection naturelle pour des fluides non-Newtoniens
Encadrante : Christel Métivier [email protected]
Lieu de stage : LEMTA
Domaine : Thermique, mécanique des fluides, expérimentations
Descriptif
1. Contexte
L’étude des instabilités thermo-convectives dans une couche de fluide chauffée par le bas, i.e. la configuration de Rayleigh-Bénard, a été très largement considérée dans le cas des fluides Newtoniens. Ceci s’explique par le nombre important d’applications physiques ou industrielles qui mettent en jeu des gradients thermiques dans des couches fluides. Aux grandes échelles, la convection thermique peut avoir lieu dans l’atmosphère, les océans ou encore le manteau terrestre. A plus petite échelle, la connaissance des régimes thermiques peut avoir un impact sur les procédés industriels et leur optimisation, puisque la convection thermique améliore les transferts thermiques. La plupart des fluides rencontrés sont non-Newtoniens, c’est à dire qu’ils présentent une viscosité qui dépend des taux de cisaillement. Malgré leur importance notamment dans les secteurs industriels (ex : secteurs cosmétique, pétrolier, agro-alimentaire, pharmaceutique…), ces fluides restent peu étudiés comparativement aux fluides Newtoniens, en particulier dans la configuration de Rayleigh-Bénard.
2. Travail proposé
L’objectif de ce stage est d’étudier expérimentalement le démarrage de la convection dans une couche de fluide viscoplastique chauffée par le bas. De récents travaux ont montré que des instabilités oscillatoires pouvaient apparaître sous des conditions particulières. La figure ci-dessous représente les trajectoires de particules suivies dans le régime oscillatoire. Les particules décrivent des boucles de quelques millimètres d’amplitude et ont un mouvement périodique.
Dans le cadre de ce stage, il est demandé d’étudier plus finement les conditions d’obtention de ces instabilités oscillatoires ainsi que leur dynamique en utilisant des techniques expérimentales de type PTV et PIV. La transition vers une convection stationnaire sera aussi étudiée. Un logiciel de suivi de particules sera, en outre, utilisé.
MFR-II Intitulé : Etude de la solidification de gouttes sur surface froide par Fluorescence Induite par Laser Encadrants : LABERGUE Alexandre , [email protected] STITI Mehdi , [email protected] CASTANET Guillaume, [email protected]
Domaines : Transferts thermique, changement de phase, modélisation et diagnostiques optiques
Descriptif
1. Contexte.
La problématique générale de ce sujet est le phénomène de givrage des aéronefs : formation de
givre après impact de gouttes d’eau surfondues (T 40°C) sur parois. La certification des équipements de lutte et de prévention contre le givrage est généralement assurée dans des souffleries capables de reproduire des nuages de gouttes givrant en conditions aéronautiques. Néanmoins, ces installations ne disposent pas de l’instrumentation nécessaire pour contrôler l’état des gouttes comme leur température et composition (présence de glace ou non au sein de la goutte). Dans ce contexte, une technique optique basée sur la Fluorescence Induite par Laser (LIF) a été récemment développée au LEMTA dans le cadre de la thèse de Mehdi STITI (Stiti et al., 2019). Le principe de la LIF consiste à déduire la température d’un liquide ensemencé d’un traceur fluorescent thermodépendant. En plus d’accéder à la température de gouttes surfondues, la méthode ainsi réalisée est également capable de décrire le changement de phase ou la solidification d’eau surfondue. Des essais réalisées dans une soufflerie givrante de la DGA a permis de tester et valider la technique. Désormais, les travaux actuels visent à caractériser la solidification de gouttes surfondues qui impactent sur une surface froide. La solidification d’une goutte est décomposée en 2 temps : (1) une étape dite de dentrification, où tout le liquide atteint la température de fusion de l’eau, mais où tout le liquide n’est pas entièrement solide, puis (2) l’étape de solidification isotherme où tout le liquide restant va se transformer en glace. De premières images obtenues par caméra rapide ont permis de visualiser ces 2 phases (Figure 1).
Figure 1. Vue de dessus de l’évolution temporelle de la solidification d’une goutte (Do = 2 mm et
T0= 20°C) qui impacte sur une paroi de saphir de température Tw = 15°C. Ainsi, l’objectif général du stage est d’étendre la technique de LIF au cas de gouttes en interaction sur une surface froide afin d’étudier la solidification. 2. Travail proposé.
La Figure 2 présente le dispositif expérimental spécifiquement conçu pour l’étude. Il comprend une enceinte fermée, un dispositif de génération de goutte et une plaque refroidie. Un écoulement d’azote permet d’assécher l’intérieur de l’enceinte et ainsi limiter le dépôt de givre sur la surface
froide. Les gouttes, ensemencées en traceurs fluorescents, sont générées à l’extrémité d’une aiguille via une seringue (diamètre initial D0) avant de tomber sur la surface. Un système permet d’ajuster la hauteur de chute h de la goutte. Des dispositifs de refroidissement permet de contrôler la température de la goutte T0 avant sa chute ainsi que la température Tw de la surface froide. Enfin, l’enceinte est équipée d’hublots permettant l’intégration des techniques optiques. L’objectif du stage consiste à mettre en œuvre deux diagnostiques optiques afin d’analyser la solidification d’une goutte après impact sur une surface froide pour différentes conditions d’impact. L’idée est de confronter les résultats obtenus par les deux techniques, puis avec les modèles de solidifications théoriques disponibles dans la littérature (Schremb et al., 2017). Dans un premier temps, l’imagerie par caméra rapide sera mise en œuvre. La goutte est éclairée par le dessus via une lumière blanche et un premier miroir. La solidification de la goutte est aussi observée par le dessus, via un second miroir, et en utilisant caméra rapide (environ 7000 images/s environ). La dynamique et topologie de la solidification de la goutte pourra être analysée en fonction des paramètres suivants : hauteur de chute, température d’injection T0, température de la surface Tw et nature du matériau de la surface froide (effet de l’effusivité thermique). Dans un second temps, il s’agira d’implémenter la PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence) qui consiste à obtenir des images de fluorescence. Il a été montré que l’intensité de fluorescence est effectivement très sensible à l’état liquide ou solide de l’eau. La goutte sera toujours éclairée par le
dessus en utilisant un laser continue ( = 532 nm). La solidification étant un phénomène rapide, la caméra rapide précédente sera utilisée en insérant un filtre interférrentiel pour ne collecter que le signal de fluorescence. La même étude paramétrique que précédemment sera entreprise.
Figure 2. Dispositif expérimental pour la caractérisation de la solidification de goutte sur paroi froide. Disposition du montage optique pour les mesures de PLIF rapide.
Même si le co-encadrement sera assuré par le doctorant, le ou la candidat(e) devra faire preuve d’autonomie et avoir un gout prononcé pour l’expérimental.
3. Références
Schremb, M. et al. (2017) ‘Ice Layer Spreading along a Solid Substrate during Solidification of Supercooled Water: Experiments and Modeling’, Langmuir, 33(19), pp. 4870–4877. doi: 10.1021/acs.langmuir.7b00930.
Stiti, M. et al. (2019) ‘Temperature measurement and state determination of supercooled droplets using laser-induced fluorescence’, Experiments in Fluids. Springer Berlin Heidelberg, 60(4), p. 0. doi: 10.1007/s00348-018-2672-3.
Surface froide; Tw
Source laser = 532 nm
Caméra rapide
Seringue
Enceinte
Goutte ensemencée; T0
Hauteur de chute; h
MFR-III Intitulé : Etudes des transferts de chaleur dans des films ruisselants
Encadrants : Guillaume Castanet , [email protected]
Romain Collignon , [email protected]
Domaine : Mécanique des fluides, Transferts thermiques
Descriptif
1. Contexte
Le ruissellement de films liquides minces est rencontré dans une variété de procédés, notamment les condenseurs, les évaporateurs ou encore les colonnes d'absorption à film tombant. En général, les conditions rencontrées dans ces applications sont telles que la surface libre du film est instable et que des vagues s’y propagent. Depuis longtemps, les vagues sont utilisées pour intensifier les transferts de chaleur et de masse à travers le film. Les mécanismes à l’origine de cette intensification ne sont pas encore complètement élucidés. L’augmentation de la surface d’échange entre le liquide et le gaz, la formation de rouleaux dans la crête des vagues, l’amincissement du film devant le front de vague ont été proposés comme des explications possibles de cette intensification.
Afin d’étudier les transferts de chaleur à l’intérieur d’un film ruisselant, un banc expérimental
a été développé au LEMTA. Il permet de générer des vagues dont la fréquence et l’amplitude peuvent être contrôlées.
Développement des vagues à la surface d’un film ruisselant
Mesure de la température et de l’épaisseur à la traversée d’une vague
2. Travail proposé
Dans ce stage il est proposé d’effectuer des mesures de la température du film ruisselant en utilisant la fluorescence de certains colorants sensibles à la température, ainsi que la thermographie infrarouge. Ces mesures permettront d’étudier l’effet de différents paramètres géométriques, hydrodynamiques et thermiques sur les transferts. Les propriétés physiques du liquide pouvant avoir un impact important sur la dynamique des vagues, des mesures comparatives seront menées sur des liquides de différentes viscosités.
0 0,05 0,1
2
6
4
3
5
1
0,15 (s)
( C
)
1,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0,4
(m
m)
MFR-IV Intitulé : Rhéologie et propriétés de vidange de poudres modèles cohésives : application à l’écoulement en trémie. PROJET EUROPEEN POWDERREG
Encadrant(s) : Sébastien Kiesgen De Richter , [email protected] Arthur Pascot, [email protected]
Domaines : Rhéophysique, Mécanique des fluides
Descriptif
1. Contexte
Les milieux granulaires appartiennent à une famille de milieux continus constitués d’un grand nombre de grains à l’état solide pouvant, sous certaines contraintes, se mettre à s’écouler comme des fluides. On rencontre ces milieux aussi bien dans la Nature (dunes de sable, avalanches, coulées pyroclastiques...) que dans l’industrie (poudres cosmétiques, médicaments, céréales...). Malgré leur omniprésence autour de nous, le comportement et les propriétés d’écoulement de ces milieux sont encore mal comprises car les événements locaux au niveau des grains sont corrélés à l’écoulement global, créant ainsi un problème multi-échelles.
Comprendre le lien entre l’organisation microscopique et les mécanismes de blocage locaux dans des poudres cohésives en écoulement serait donc une avancée majeure en rhéologie et permettrai d’établir des critères d’optimisation de procédés industriels, tel que la vidange de silos par exemple.
2. Travail proposé
Le travail proposé consiste à étudier expérimentalement l’influence de la formulation des poudres (taille, forme des particules, propriétés micromécaniques, granulométrie, cohésion) sur leur rhéologie et leurs propriétés d’écoulement sous l’effet de vibrations.
Figure 1 : Simulation numérique (a) et dispositif expérimental (b) sur l’écoulement de poudres
dans un silo quasi-2D sous vibrations
Deux points d’étude sont envisageables pour le stage :
- Une étude de l’écoulement de poudres modèles constituées de petits cylindres rendus cohésifs par traitement de surface dans un silo quasi-2D en fonction de la force de cohésion et de l’intensité des vibrations.
- Une étude de l’effet et la propagation de l’intensité locale des vibrations (en utilisant des dispositifs piézoélectriques) dans un silo 2D.
Dans chaque cas, les données expérimentales seront confrontées et complétées par des simulations numériques de type éléments discrets.
L’étude fait partie du projet européen "PowderReg" qui rassemble plusieurs universités (Lorraine, Luxembourg, la Sarre, Kaiserslautern, Liège) et des partenaires industriels (NovaCarb, Granutools) dont le but est d’étudier le transport, le stockage et la mise en forme de poudres d’intérêt industriel.
3. Références
[1] B. Andreotti, F. Yoël, and O. Pouliquen. Les milieux granulaires-entre fluide et solide : Entre fluide et solide. EDP sciences, 2011.
[2] M. Benyamine, P. Aussillous, and B. Dalloz-Dubrujeaud. "Discharge flow of a granular media from a silo: effect of the packing fraction and of the hopper angle". EPJ Web of Conferences, EDP Sciences, 2017, vol. 140, p. 03043.
[3] D.A. Steingart and J.W. Evans. "Measurements of granular flows in two-dimensional hoppers by particle image velocimetry. Part I : experimental method and results". Chemical Engineering Science, 2005, vol. 60, no 4, p. 1043-1051.
[4] I.Zuriguel, A.Janda, R. Arévalo et al. "Clogging and unclogging of many-particle systems passing through a bottleneck". EPJ Web of Conferences. EDP Sciences, 2017, vol. 140, p. 01002.
[5] K. To, P.Y. Lai, and H.K. Pak. "Jamming of granular flow in a two-dimensional hopper". Physical review letters, 2001, vol. 86, no 1, p. 71.
[6] B.Guerrero, C. Lozano, I. Zuriguel, et al. "Dynamics of breaking arches under a constant vibration". EPJ Web of Conferences. EDP Sciences, 2017. p. 03016.
Groupe de recherche « Energie et Transferts »
ET-I Intitulé : Etude de l’aspersion dans la lutte contre le feu
Encadrant(s) : Gilles Parent, 03.72.74.30.00, [email protected]
Zoubir Acem, 03.72.74.42.28, [email protected]
Domaine : Thermique, Hydrodynamique, numérique et expérimental.
Localisation du stage : LEMTA, université de Lorraine
Descriptif
1. Contexte
L’utilisation de l’aspersion dans la lutte contre le feu est loin d’être nouvelle. Cependant l’utilisation de ce moyen est bien loin d’être optimale. Les procédures de lutte contre l’incendie impliquent usuellement l’utilisation de lances qui sont caractérisées par un débit minimal imposé, alors que d’autres paramètres, et en premier lieu la granulométrie, jouent un rôle important dans l’extinction. Obtenir un effet équivalent pour un débit d’eau plus faible a de nombreux avantages : moindre consommation d’eau donc plus grande autonomie, pompes moins puissantes, tuyaux de plus faible diamètre donc plus légers et plus maniables. Le LEMTA possède une expertise certaine de l’utilisation de sprays d’eau principalement comme boucliers radiatifs destinés à limiter la propagation du feu en diminuant le flux radiatif. L’interaction de l’aspersion directement avec le feu a, elle, fait l’objet de moins d’études. C’est l’objet du stage proposé ici.
2. Travail proposé
Le LEMTA dispose sur le site de la Bouzule d’une plateforme d’essai feux appelée PROMETHEI, qui permet de réaliser des essais sur des feux de petite taille : propagation sur table à brûler, bûcher bois, bacs d’hydrocarbure. Un système d’aspersion d’eau, mettant en œuvre différents types de technologie doit y être ajouté, ce qui permettra d’étudier l’interaction de ce système avec le feu. Dans le cadre de ce stage, l’étudiant participera à la définition des essais, à la mise en place des moyens de métrologie adaptés (thermocouples, fluxmètres, caméras visible et infrarouge, etc) à la réalisation des essais et à leur exploitation. On cherchera notamment à évaluer le niveau de réduction de puissance, et les conditions d’extinction, en fonction des débits et de la granulométrie de l’aspersion utilisée.
Par ailleurs ce travail expérimental sera doublé d’une étude numérique utilisant le logiciel de simulation FDS (Fire Dynamics Simulator) afin d’étudier l’aptitude de cet outil à prévoir correctement l’efficacité d’une aspersion d’eau sur un feu.
ET-II Intitulé : Modélisation du mouvement des foules – Application de modèles d’évacuation à de grands ensembles bâtimentaires multi-compartimentés
Encadrant : Anthony COLLIN , [email protected]
Domaine : Incendie, évacuation, modélisation physique, approche multi-échelle
Descriptif
1. Contexte. En France, le code de la construction, au travers des articles CO 34 à 56, prescrit les obligations bâtimentaires relatives à l’évacuation incendie. En fonction du nombre maximal d’occupants, la réglementation impose un certain nombre de dégagements et d’unités de passage pour le bâtiment. Bien que le positionnement et l’organisation de ces dégagements peuvent avoir un effet sur le temps d’évacuation, la réglementation n’impose aucun critère de performance. De plus, les ouvrages actuels proposent des architectures de construction qui sont de plus en plus audacieuses, ce qui rend la problématique de l’évacuation incendie encore plus complexe. Par un souci de performance et de simplification, la loi du 10 août 2018 pour un État au service d'une société de confiance, dite loi ESSOC, entrevoit la possibilité pour les centres techniques en charge de la sécurité incendie, d’utiliser des outils de modélisation pour démontrer que des solutions proposées pour l’évacuation incendie (qui dérogent au code de la construction actuel) sont tout aussi efficaces, voire même meilleures, que celles prescrites par la réglementation en vigueur.
Le LEMTA a depuis cinq ans accompagné plusieurs centres techniques (CNPP, RS2N) à développer des modèles pertinents pour l’évacuation incendie. L’originalité des travaux proposés par l’Opération Scientifique « Feux » du LEMTA est de s’intéresser à l’évacuation de personnes selon différentes échelles ce qui permet de réaliser des outils performants et rapides en temps d’exécution.
2. Travail proposé. La première phase du stage portera sur une revue bibliographique de la réglementation en vigueur et des modèles dédiés à l’évacuation. Un focus plus particulier sera réalisé sur les modèles dits de « compartiments » et les approches macroscopiques qui sont développés au sein du LEMTA.
La seconde phase consistera à prendre en main les deux approches actuellement développées : code Marcoe-Paulo et code Amerigo. La personne en charge de ce travail devra notamment étendre ces modèles afin qu’ils puissent traiter des situations de bâtiments multi-niveaux comme les immeubles de grande hauteur ou les navires de transport de passagers. Ces modèles sont à l’heure actuelle implémentés sous Matlab.
La troisième phase visera, dans le temps imparti du stage, de mettre en place des exercices d’évacuation sur des situations multi-niveaux et multi-compartiments afin de consolider les phases de validation des codes développés au LEMTA.
Enfin, la dernière phase s’attachera à appliquer les modèles étendus à plusieurs configurations réalistes, navires de transport de passagers et immeubles de grande hauteur. Pour chaque configuration, une étude de sensibilité sur le positionnement des dégagements sera proposée afin d’identifier des configurations qui optimisent le temps d’évacuation.
3. Références
Marchand A. and Collin A., Macroscopic model for fire safety evacuation: evaluation and comparison with a microscopic Model, 15th International conference and exhibition on Fire Science and Engineering, Interflam 2019.
Gasparotto T., Collin A., Boulet P., Pianet G., Muller A., An emergency egress model based on a macroscopic continuous approach, 14th International conference and exhibition on Fire Science and Engineering, Interflam 2016.
ET-III Intitulé : Etude expérimentale et numérique du mouvement des fumées dans un navire roulier
Encadrants : Rabah Mehaddi, 03 83 59 56 64, [email protected]
Anthony Collin, , [email protected] Descriptif
1. Contexte.
Les navires rouliers sont une composante importante du système de transport mondial et l’un des types de navires les plus performants aujourd’hui. Toutefois, un nombre important d'incendies survenus sur des navires rouliers au cours des dernières années appellent à une meilleure protection contre les incendies. Il est également nécessaire de relever les défis à venir, notamment la transformation en cours du fret impliquant des véhicules à carburant de remplacement. De plus, des défis similaires en matière de sécurité incendie s'appliquent à tous les types de navires (voir figure 1) rouliers (pas seulement les navires à passagers), y compris les porte-véhicules et les navires de charge rouliers généraux. Par conséquent, il est nécessaire d'actualiser la protection contre l'incendie des navires rouliers dans une perspective large et à long terme.
Figure 1 : incendie Ferry Sorrento – 24/04/2015 – 170 personnes, aucune victime (Îles des Baléares).
Dans ce contexte, un consortium de laboratoires et d’entreprises européenne propose d’investiguer ce problème afin d’apporter un éclairage sur la sécurité incendie de ce type de navires et améliorer la législation existante. Le projet porté par ce consortium se nomme LASHfire. Parmi les laboratoires impliqués, le LEMTA est en charge de l’étude de la protection incendie par système d’aspersion.
2. Travail proposé.
Le sujet que nous proposons est expérimental et numérique. Il s’agit d’étudier la possibilité de ralentir ou même de réduire les effets dévastateurs d’un incendie dans un navire roulier par un système d’aspersions (voir figure 2). Pour étudier ce problème une maquette à petite échelle devra être conçu et mise en place par le stagiaire. Pour engendrer un feu, des bacs d’heptane sont utilisés. Ils seront pesés en continu pour évaluer la perte en masse et par conséquent la puissance du foyer. Pour la vitesse, la technique de mesure de vitesse par laser (Particle Image Velocimetry) sera utilisée. Les températures seront mesurées grâce à des thermocouples.
Figure 2 : Système d’aspersion.
Pour renforcer ce travail, le code de calcul Fire Dynamics Simulator sera utilisé, en particulier, pour estimer la température au sein des fumées et caractériser les champs de vitesses. L’objectif sera de valider les simulations à l’échelle de la maquette puis de les étendre aux dimensions et conditions en vraie grandeur.
ET-IV Intitulé : Étude de la proportion de charbon brûlée après exposition à un flux de chaleur par reconstitution d’image Encadrants : TERREI Lucas ([email protected]) ACEM Zoubir et PARENT Gilles. Domaines : Dégradation des matériaux, incendie, traitement d’images. Descriptif 1. Contexte
La construction du bâtiment utilise de façon croissante le matériau bois, notamment en France où la part de marché de la construction bois a doublé dans les 15 dernières années. Parmi d’autres formes d’utilisation, les structures en bois lamellé collés, sont particulièrement intéressantes pour obtenir des planchers de grandes portées. Le bois est un matériau dont les propriétés sont complexes présentant évidemment la particularité de participer à l’incendie en cas de sinistre. Le comportement du matériau bois en condition d’incendie est étudié intensivement depuis de nombreuses années. En particulier ses capacités d’inflammation et de dégradation. Babrauskas a présenté le caractère très dispersé des caractéristiques utilisées dans les modèles classiques d’inflammation, et en particulier de la notion de température d’inflammation (Babrauskas, 2001). Concernant la dégradation du bois, de nombreux articles présentent la vitesse de carbonisation en fonction des essences de bois (Lihong 2007). Une valeur conventionnelle de 0,65 mm/min a été adoptée dans les normes du bâtiment. Xu a montré que l’apparition de fissures sur les surfaces augmentées avec l’approfondissement de la couche de charbon (Xu 2015). La figure 1 présente des essais de dégradation de bois réalisés lors de la thèse de Lucas Terrei pour différents flux de chaleur et différents temps d’exposition.
Figure 1 : Échantillons dégradés selon le flux de chaleur imposé (à gauche) pour un temps d’exposition fixé, échantillons dégradés selon de temps d’exposition pour un flux de chaleur fixé (à droite). Ces deux photos montrent que la dégradation ainsi que la taille des fissures des échantillons augmentent avec le temps d’exposition pour un flux de chaleur fixé et inversement (un temps fixé et différents flux de chaleur). Les caractéristiques à l’extinction du bois sont quant à elle beaucoup moins étudiées. On peut notamment citer les travaux de Crielaard qui se sont intéressés à la modélisation de ces phénomènes (Crielaard, 2015). 2. Travail proposé
De nombreuses campagnes expérimentales menées dans le cadre de la thèse de Lucas Terrei ont pour but d’appréhender et de mieux comprendre le phénomène d’auto-inflammation, la mesure de température de surface et dans le matériau ainsi que l’auto-extinction du bois. L’auto-extinction du bois dépend du flux de chaleur auquel celui-ci est exposé. Cependant, pour des mêmes conditions fixées, l’auto-extinction du matériau n’est pas systématique. L’état de surface, la couche de charbon ou encore la taille des fissures permettant aux gaz de pyrolyse d’être libérés semblent être des paramètres importants dans l’extinction des échantillons. En conséquence, 300 échantillons
dégradés à différents flux de chaleur et temps d’exposition sont disponibles afin d’étudier la taille des fissures ainsi que la part de charbon consumée lors des essais en fonction des différents paramètres fixés. L’objectif du stage est de caractériser les états de surface des échantillons de bois dégradés afin de comprendre les disparités existant entre les essais. Pour cela, le candidat devra créer un protocole basé sur les travaux de thèse de Giacomo Erez permettant de réaliser une reconstitution en 3D des échantillons dégradés (Erez, 2019). Un exemple figure 2 présente une reconstitution en 3D d’un échantillon de mousse dégradé après un essai. Cette reconstitution permettra entre autre de déterminer une évolution de la quantité de charbon consumée selon les paramètres d’essai fixés ou encore d’estimer une taille de fissure critique permettant de libérer les gaz de pyrolyse de façon à entretenir la flamme.
Figure 2 : Reconstitution d’un échantillon de mousse dégradé après essai. Le ou la candidat(e) sera encadré(e) par le doctorant mais devra tout de même faire preuve d’autonomie et avoir un gout prononcé pour l’expérimental ainsi que le traitement d’image. Des campagnes expérimentales pourront s’ajouter en fonction de l’avancement du stage. 3. Références
Babrauskas, V. (2002). Ignition of wood: a review of the state of the art. Journal of Fire Protection Engineering, 12(3), 163-189. Lizhong, Y., Yupeng, Z., Yafei, W., & Zaifu, G. (2008). Predicting charring rate of woods exposed to time-increasing and constant heat fluxes. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 81(1), 1-6. Xu, Q., Chen, L., Harries, K. A., Zhang, F., Liu, Q., & Feng, J. (2015). Combustion and charring properties of five common constructional wood species from cone calorimeter tests. Construction and Building Materials, 96, 416-427. Crielaard, R., van de Kuilen, J. W., Terwel, K., Ravenshorst, G., & Steenbakkers, P. (2019). Self-extinguishment of cross-laminated timber. Fire Safety Journal, 105, 244-260. Giacomo Erez, Modélisation du terme source d'incendie : montée en échelle à partir d'essais de comportement au feu vers l'échelle réelle-approche "modèle", "numérique " et "expérimentale", Thèse de doctorat, Université de Lorraine, 2019.
ET-V Intitulé : High throughput multi-scale modelling of the thermal conductivity
Encadrant(s) : Laurent Chaput, [email protected]
David Lacroix, [email protected]
Domaine : Nanothermique
Descriptif
Since the last few years it is possible to perform multi-scale ab initio computations of the lattice thermal conductivity of semiconductors and insulators. The basic idea is to perform quantum mechanical computation of the physical properties at the atomic scale, and then transfer those properties at the meso and macro scale to study heat transport in an actual device. At the scale of devices, the transport equations are solved using a Monte Carlo method which allow to include the effects of boundary conditions, and study the dependence of the thermal conductivity on the size and shape of the device. The goal of the present project is to make the above mentioned procedure fully automatic. Indeed the existing code will be modularized into python modules. This way we will be able to compute heat transport for materials in a large database and study correlations between the results obtained for different materials and devices. Eventually this could lead us to propose new macroscopic laws to describe heat transport at the mesoscale.
[1] A direct solution to the phonon Boltzmann equation L. Chaput, Phys. Rev. Lett, 110, 265506 (2013)
[2] Ab initio based calculations of the thermal conductivity at the micron scale L. Chaput, J. Larroque, P. Dollfus, J. Saint-Martin, D. Lacroix, Appl. Phys. Lett. 112, 033104 (2018)
Figure: Heat transport through a Silicon film
Groupe de recherche « Vecteurs énergétiques »
VE-I Intitulé : Finalisation et caractérisation d’un stack de pile à combustible PEM (Thermistack)
Encadrant(s) : Jérôme DILLET [email protected] Gaël Maranzana [email protected]
Descriptif
1. Contexte.
Le fonctionnement des piles à combustible de type PEMFC est très sensible à la température. Une température élevée permet d'accélérer la cinétique des réactions chimique et de faciliter l'évacuation de l'eau produite sous forme de vapeur. A l'opposé, une température basse est synonyme d'une bonne humidification de la membrane électrolyte. Il existe une température optimale de fonctionnement. On parle d’«une » température optimale parce qu'en pratique la pile à combustible est très compacte et faite de matériaux bons conducteurs de la chaleur. Mais de récents travaux ([1-5]) tendent à montrer que les gradients de températures établis dans le cœur de pile ont une influence non négligeable sur les transferts couplés de matière et de charge. Il n'existe pas seulement « une » température optimale mais plutôt « un champ » de température optimal. La thèse d’Anthony Thomas [5] a contribué à la compréhension des phénomènes couplés de transfert de chaleur, de matière et de charge en établissant entre autres qu’un gradient de température entre la cathode et l’anode d’une cellule de pile à combustible pouvait améliorer les performances électriques, en permettant une meilleure gestion des flux d’eau. Suite à ces travaux de nature assez fondamentale, une géométrie de pile à combustible pourvue d’un système de refroidissement qui permet l’établissement d’un gradient de température entre la cathode et l’anode a été imaginée et a fait l’objet d’un dépôt de brevet [6]. L’architecture développée permet d’imposer une température différente à l’anode et à la cathode mais possède d’autres avantages significatifs comme par exemple la possibilité de dériver une partie du courant produit par chaque cellule de pile à combustible. Cet avantage ouvre la possibilité de piloter la pile à combustible cellule par cellule en réalisant un « Battery management system (BMS) » comme c’est le cas pour les batteries Lithium. Il est alors envisageable par exemple d’équilibrer le potentiel des différentes cellules pour améliorer la durabilité du système. Cet aspect est actuellement approfondi dans le cadre de la thèse de Milad Bahrami. Transport couplé de chaleur et de matière dans le cœur des piles à combustible. Comme le montre la figure 1, une cellule de pile à combustible est constituée d’une membrane électrolytique (d’épaisseur 10 à 50μm) prise en sandwich entre deux électrodes poreuses chargées en catalyseur (d’épaisseur 2 à 10μm). Le rôle de la membrane est de séparer les compartiments anodiques alimentés en hydrogène et cathodiques alimentés en oxygène. A l’anode, sur les sites catalytiques, l’hydrogène est dissocié en protons et en électrons. Les électrons vont travailler dans le circuit électrique extérieur alors que les protons vont pouvoir traverser la membrane pour rejoindre la cathode, où ils vont s’associer à l’oxygène et aux électrons pour former de l’eau. La réussite de cette conversion d’énergie chimique en énergie électrique est conditionnée par une bonne « gestion de l’eau ». En effet, la conductivité protonique de la membrane électrolytique est une fonction croissante de son humidité. Il est donc important de permettre sa bonne humidification, soit par l’apport de vapeur d’eau avec les gaz réactifs, soit par l’intermédiaire de l’eau produite par la réaction. A l’inverse, une trop grande quantité d’eau liquide se traduit par le noyage des sites catalytiques et donc l’arrêt de la réaction électrochimique. Lorsque ce noyage apparait localement à la cathode, les performances électriques sont dégradées et deviennent instables. Lorsqu’il apparait à l’anode, on observe une dégradation irréversible de la cathode localement en vis-à-vis du noyage du fait de l’oxydation du support carboné [7-8].
Par conséquent, il est nécessaire de mettre en œuvre des stratégies adaptées de gestion de l’eau. Elles peuvent consister à pré-humidifier les gaz réactifs, optimiser la nature
des matériaux du cœur de pile en jouant sur leur caractère hydrophobe (exemple de la MPL) ou contrôler les stœchiométries des gaz et la température moyenne des plaques bipolaires. Dans le cadre de la thèse d’Anthony Thomas, il a démontré qu’il est possible de transférer l’eau présente à l’anode vers la cathode (et inversement) en imposant un gradient de température entre les deux électrodes. L’eau se dirige vers l’électrode la plus froide. Le contrôle de ce gradient de température est donc un levier supplémentaire pour établir une gestion de l’eau optimale.
Une géométrie classique de pile à combustible ne permet pas d’imposer une température différente à l’anode et la cathode parce que les deux électrodes sont séparées par une plaque bipolaire faite d’un matériau bon conducteur de la chaleur. Thermistack est une géométrie qui permet le découplage thermique des anodes et des cathodes. Le refroidissement d’une électrode sur deux permet alors d’imposer le gradient de température souhaité.
2. Travail proposé
L’objectif du stage est d’assembler une pile à combustible de 68 cellules à partir des pièces conçues dans le cadre du projet Thermistack, puis de caractériser ses performances en fonction de la température, de l’humidité des gaz et des débits.
3. Références
[1] A.Z. Weber, J. Newman, J. Electrochem. Soc. 153 (2006) A2205. [2] Y.Wang, C.Y.Wang, J. Electrochem. Soc. 153 (2006) A1193. [3] M.A. Hickner, N.P. Siegel, K.S. Chen, D.S. Hussey, D.L. Jacobson, M. Arif, J. Electrochem. Soc. 155 (2008) B294. [4] R. Zaffou, J.S. Yi, H.R. Kunz, J.M. Fenton, Electrochem. Solid-State Lett. 9 (2006) A418. [5] A. Thomas, thèse de l’Université de Lorraine soutenue le 23 novembre 2012. [6] G. Maranzana, O. Lottin, J. Dillet, A. Thomas, S. Didierjean, Patent WO 2014/060198 A1, 04/24/2014 [7] J. Dillet, D. Spernjack, A. Lamibrac, G. Maranzana, R. Mukundan, J. Fairweather, S. Didierjean, R.L. Borup, O. Lottin, Journal of Power Sources, Vol 250, 68-79, 15 March 2014 [8] Abbou, S., Dillet, J., Maranzana, G., Didierjean, S., Lottin, O, Journal of Power Sources, 2017
VE-II Intitulé : Modélisation physique et caractérisation de surcapacités dans le domaine fréquentiel
Encadrants : Prénom Nom , [email protected]
Prénom Nom , [email protected]
Domaine : électrochimie, spectroscopie d’impédance, supercapacités, modélisation
Descriptif
1. Contexte
L’équipe Hydrogène et Systèmes Électrochimiques (HSE) du LEMTA développe des modèles pour la caractérisation de SuperCapacités (SC), utiles dans des systèmes nécessitant des fortes puissances et faibles quantités de charge (par exemple le système d’ouverture d’urgence des portes de l’A380 ou bien dans les systèmes de stop and start des véhicules PSA Peugeot Citroën). Ces modèles ont été appliqués à différents types de SC dans le cadre de plusieurs collaborations de recherche comme actuellement avec l’Université de la Caroline du Nord (NCSU, USA). Le groupe de la NCSU développe des supercapacités destinées à terme à la fabrication de tissus capables de stocker de l’électricité. Ces SC à géométrie filaire (cf. figure ci-dessous) sont fabriquées à partir de différents matériaux, dont des oxydes de graphène et des carbures de métaux de transition (MXenes) [1,2].
Photo (à gauche) et schéma de principe (à droite) des supercapacités filaires de la NCSU [1].
Au-delà des applications, somme toute assez lointaines, il est nécessaire de caractériser le mieux possible le comportement électrique de ces dispositifs de stockage afin de mieux comprendre leur fonctionnement et de pouvoir améliorer leurs performances.
2. Travail proposé
Dans les supercapacités, l’énergie peut être stockée sous différentes formes en fonction de la technologie utilisée : purement capacitive, électrochimique ou par intercalation d’ions. L’analyse de leur comportement électrique peut se faire dans le domaine temporel en mesurant la tension pendant la charge/décharge ou bien dans le domaine fréquentiel en mesurant l’impédance complexe à une tension fixée. Son interprétation se fait ensuite avec des modèles électriques dont les éléments doivent -idéalement- garder un sens physique tout restant d’usage le plus général possible.
L’objectif du projet consiste à étudier quelques modèles électriques pour voir lesquels permettent d’ajuster au mieux les courbes expérimentales de plusieurs types de SC dont celles de la NCSU. On considèrera principalement l’impédance en fonction de la fréquence de sollicitation (spectroscopie d’impédance).
Exemple d'un spectre d'impédance d'une SC dans le plan de Nyquist (partie imaginaire vs. partie réelle).
Comme montré sur la figure ci-dessus, les spectres d’impédance d’une SC sont caractérisés par une droite inclinée à hautes fréquences (partie gauche du spectre) dont la pente est, d’après la théorie, de 45°. Cette droite inclinée peut avoir plusieurs origines physiques que l’on souhaitera analyser à travers deux types de modèles électrique
Un circuit de type Randles basé sur l’hypothèse d’une électrode fine où la pente peut être reproduite par une impédance de diffusion de matière appelée élément de Warburg [1,2].
Un circuit de type TLM basé sur l’hypothèse d’une électrode volumique où la pente est due à la distribution de résistances et de capacités en parallèle dans l’épaisseur de l’électrode [3].
Au-delà de la qualité de l’ajustement des courbes expérimentales, on cherchera autant que possible à donner un sens physique aux paramètres des modèles : taille des pores, capacité double couche, stockage de charge purement capacitif ou bien pseudo-capacitif (présence de réactions redox) et à vérifier s’il est possible de déterminer expérimentalement l’origine physique de cette pente.
La première partie du travail sera évidemment consacrée à la compréhension de la spectroscopie d’impédance (technique de caractérisation expérimentale très répandue en génie électrique ainsi qu’en électrochimie) et des modèles électriques à étudier.
Une deuxième partie du travail consistera à mettre au point (ou à reprendre à partir de travaux antérieurs) les codes d’ajustement aux données expérimentales et d’identification des paramètres afin de déterminer les modèles les mieux adaptés. Cette modélisation se fait sous Matlab et utilisera une des routines d’ajustement de la bibliothèque intégrée (fminsearch, lsqcurvefit…) basées sur la méthode des moindres carrés. Enfin, un travail de réflexion sur les paramètres physiques régissant les modèles pourra être entrepris afin de mieux comprendre le fonctionnement des supercapacités et de dégager des pistes pour l’amélioration de leurs performances.
3. Références
1. N. He, Q. Pan, Y. Liu, W. Gao, ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 24568-24576, 2017. 2. N. He, W. Shan, J. Wang, Q. Pan, J. Qu, G. Wang, W. Gao, J. Mater. Chem. A 7, 6869-6876, 2019. 3. R. German, A. Hammar, R. Lallemand, A. Sari, P. Venet, IEEE Trans. Power electron. 31, 548-559, 2015.
VE-III Intitulé : Etude de l’évolution des propriétés de transport de membranes ionomères PFSA et S-PEEK induite par dégradation chimique ex-situ (Fenton gaz)
Encadrants : Assma El Kaddouri, [email protected] Jean-Christophe Perrin, [email protected]
Domaine : énergie - pile à combustible – membrane ionomère – dégradation chimique - transferts de matière
1. Sujet de Stage
Le développement de la filière hydrogène et des énergies non polluantes reposent largement sur celui des piles à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC), technologie privilégiée pour les applications aussi bien automobiles que stationnaires. Malgré les avancées majeures réalisées ces dernières années, le déploiement à large échelle des PEMFC n’est pas encore d’actualité. En effet, les PEMFC restent encore confrontées à un coût élevé et une durée de vie limitée à quelques milliers d’heures, voire moins dans des conditions très exigeantes. Une multitude de travaux de recherche fondamentale et expérimentale a permis d’augmenter leur durée de vie notamment par la compréhension des phénomènes de vieillissement du cœur de pile (couche de diffusion poreux/électrodes/membrane) et des modes de transport de l’eau dans la membrane. Cependant, malgré la richesse de ces travaux plusieurs verrous restent à lever. Un de ces verrous réside dans l’amélioration des propriétés de la membrane durant le fonctionnement de la pile ; cela passe par la compréhension de ses mécanismes de vieillissement (dégradation mécanique, chimique et structurale) et de leur impact sur les propriétés de transport de l’eau (diffusion, thermo-diffusion et électro-osmose). C’est ce qui a été entrepris dans le cadre d’un travail de thèse débuté en 2017 [1,2].
Parallèlement, d’autres études sont menées dans le but d’apporter des modifications dans la structure de membranes commerciales (S-PEEK) pour en améliorer les propriétés mécaniques en jouant le rôle de renfort et y introduire des inhibiteurs de la dégradation chimique. C’est le cas du projet ANR « Multistable » dont le LEMTA est partenaire.
Figure 1. Représentation schématique du dispositif « Fenton gaz »
Ce projet de stage a donc pour objectif de comprendre l’influence d’un des mécanismes de vieillissement- la dégradation chimique de la membrane- sur les propriétés transport de l’eau. Afin d’isoler spécifiquement l’effet de la dégradation chimique, une approche fondamentale sera menée
via une dégradation ex-situ mimant le type d’attaque radicalaire subi lors du fonctionnement en pile. Dans un premier temps, afin de prendre en main les techniques et protocoles d’analyses l’étudiant(e) réalisera la caractérisation de membranes ionomères commerciales de type perfluorosulfonés (PFSA) et polyétheréthercétone sulfonés (S-PEEK). Dans un second temps, l’étudiant(e) devra tester et optimiser le dispositif expérimental existant (figure 1) pour réaliser la dégradation chimique de la membrane par la méthode de « Fenton gaz ».
Une fois la méthodologie mise en place, l’étudiant(e) suivra l’évolution des propriétés de transport de la membrane, via la mesure du coefficient d’auto-diffusion de l’eau, en fonction du degré de dégradation de la membrane.
Cette étude s’inscrit à la fois en appui du travail de thèse concernant la dégradation des membranes PFSA (en cours) ainsi que d’une thèse sur les S-PEEK qui sera lancé en novembre 2019 dans le cadre du projet ANR « Multistable ».
2. Fonctions et tâches du stagiaire
- Gestion d’un mini-projet : bibliographie mise en place de dispositif et protocole mesure & caractérisation interprétation rendu écrit.
- Recensement de l’existant (protocoles et dispositifs). - Adaptation et validation du protocole de dégradation chimique de type « Fenton gaz » de la
membrane ionomère Nafion® et S-PEEK. - Utilisation de techniques de caractérisation chimiques ou physico-chimiques telles que la
spectroscopie RMN liquide et solide, la spectroscopie IRTF, l’analyse d’ions fluorures et la mesure d’isothermes de sorption.
3. Compétences à acquérir/développer au cours du stage
- Réaliser une recherche bibliographique. - Proposer et mettre en place un dispositif adapté aux attentes du projet de recherche en
prenant en compte les contraintes liées à l’espace d’occupation et la sécurité. - Mettre en pratique et valider un/des protocoles chimiques. - Savoir utiliser les appareils de caractérisation au sein du laboratoire : spectroscopie RMN,
balance de sorption DVS, spectroscopie IRTF, électrode ionique spécifique. - Gestion et organisation du temps notamment concernant la réservation de certains
appareils de mesure.
4. Profil
Ce stage s’adresse à un candidat polyvalent avec un profil physico-chimiste ou polymériste de formation initiale en chimie ou en science des matériaux avec un intérêt pour les phénomènes de transport et un goût prononcé pour l’expérimentation et la caractérisation physico-chimique.
5. Références
1. M. ROBERT, A. EL KADDOURI, J.-C. PERRIN, S. LECLERC, N. CAQUE, E. ROSSINOT, O. LOTTIN, Impact of chemical degradation on transport properties in Nafion membranes after fuel cell operation, FDFC 2017 Conference 30/01 - 02/02/2017, Stuttgart.
2. M. ROBERT, A. EL KADDOURI, J.-C. PERRIN, S. LECLERC, O. LOTTIN, Towards a NMR-Based Method for Characterizing the Degradation of Nafion XL Membranes for PEMFC, Journal of Electrochemical Society, 2018, 165(6), F3209-F3216.
« IRM pour l’ingénierie »
IRM-I Intitulé : Prélèvement du cadmium par des racines Encadrant(s) : Christian Moyne , [email protected] Laboratoire Énergies et Mécanique Théorique et Appliquée CNRS-UL
Thibault Sterckeman, [email protected] Laboratoire Sols et Environnement INRA-UL.
Domaine : Modélisation des transferts dans les sols – Convection – Diffusion – Réaction
Descriptif
1. Contexte. Le cadmium (Cd) est un métal hautement toxique pour tous les organismes. Quand il pollue les sols à l’état de traces, il est prélevé par les racines des plantes cultivées, s’accumule dans les récoltes et contamine la chaîne alimentaire. Ce stage s’insère dans les investigations visant la compréhension de la dynamique du Cd dans le sol au voisinage des racines (rhizosphère). Nous avons développé sous Matlab un modèle simple formalisant le prélèvement du Cd par une racine : le cadmium, présent dans le sol soit en solution soit adsorbé sur la phase solide, est transporté dans la solution par convection (du fait de l’évapotranspiration de la plante) et par diffusion ; le prélèvement est simulé (en première approximation) en supposant une concentration nulle de cadmium à la racine. Nous souhaitons sophistiquer le modèle en prenant en compte l’influence de l’exsudation d’un ligand organique par la racine. Ce ligand qui a pour fonction principale de complexer le fer pour favoriser son absorption par la plante a également la capacité à complexer le Cd. On soupçonne que cela pourrait également entraîner le prélèvement (indésirable) du métal toxique. Ce modèle sera confronté à des résultats expérimentaux difficilement interprétables par le modèle simple.
2. Travail proposé. Il est d’abord nécessaire d’assimiler quelques éléments simples de transport dans les sols et de chimie du sol afin de bien comprendre la physique des modèles développés. Cet apprentissage sera accompagné par les encadrants. Il s’agira ensuite de réaliser une modélisation numérique (1D cylindrique) du transport dans le sol sous Matlab. En faisant varier les valeurs des différents paramètres, des simulations numériques essaieront de préciser dans quelles conditions le prélèvement de Cd est favorisé par l’exsudation du ligand. Finalement un rapport sera rédigé avec, comme objectif, de faciliter l’utilisation du modèle par un agronome.
3. Références
Custos, J.-M., Moyne, C., Treillon T., Sterckeman, T., Contribution of Cd-EDTA complexes to cadmium uptake by maize: a modelling approach. Plant and Soil, 374(1-2), 497-512, 2014.
Lin, Z., Schneider, A., Nguyen, C., Sterckeman, T., Can ligand addition to soil enhance Cd phytoextraction? A mechanistic model study. Environmental Science and Pollution Research, 21(22), 12811-12826, 2014.
Lin, Z., Schneider, A., Sterckeman, T., Nguyen, C., Ranking of mechanisms governing the phytoavailability of cadmium in agricultural soils using a mechanistic model. Plant and Soil 399, 89-107, 2016.
Schneider, A., Nguyen, V.X., Viala, Y., Violo, V., Cornu, J.-Y., Sterckeman, T., Nguyen, C., A method to determine the soil-solution distribution coefficients and the concentrations for the free ion and the complexes of trace metals: Application to cadmium. Geoderma 346, 91-102, 2019.
IRM-II Intitulé : Imagerie et détermination des propriétés de transport en milieux poreux Encadrants : Maude Ferrari, [email protected] Tien Dung Le, [email protected] Christian Moyne, [email protected] Laboratoire d’accueil : Laboratoire Énergies et Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA), CNRS-UL, 2 avenue de la Forêt de Haye, 54505 Vandœuvre-lès-Nancy Domaine : Transferts en milieux poreux - Expérimentation - IRM - Simulation Descriptif du sujet 1. Contexte L’idée générale du projet est à partir d’une image 3D d’un milieu poreux (réalisée par exemple par Résonance Magnétique Nucléaire) de développer un modèle capable d’en déterminer numériquement les propriétés de transport : coefficient de diffusion effectif, perméabilité, etc. 2. Travail proposé L’étudiant participera à une campagne de mesures par IRM (Imagerie par Résonance Magnétique, voir Fig. 1) effectuée par l’équipe d’encadrement. Il sera ensuite en charge du traitement des images. Pour cela, nous disposons d’outils adaptés pour franchir cette étape sans difficulté : détermination d’un VER, seuillage, calcul de porosité, etc. Des codes de calcul développés sous Matlab permettent alors, à partir de l’image 3D pixellisée de la géométrie complexe des pores, de calculer les propriétés du milieu poreux par des développements dans l’espace de Fourier. Un premier calcul permettra d’obtenir le champ de vitesse locale, qui sera comparé avec le résultat obtenu par IRM (voir Fig. 2) à des fins de validation du modèle. Il s’agira ensuite de déterminer les propriétés de transport du milieu poreux parcouru par un fluide. Finalement, une simulation numérique directe par le logiciel COMSOL Multiphysics pourra être réalisée afin de comparer les résultats de la simulation avec le modèle développé. 3. Références - Moyne C., Didierjean S., Amaral Souto H.P., da Silveira O.T., Thermal dispersion in porous media: one-equation model. International Journal of Heat and Mass Transfer, 43, 3853--3867, 2000. - Ferrari M., Moyne C., Stemmelen D., Study of Dispersion in Porous Media by Pulsed Field Gradient NMR: Influence of the Fluid Rheology. Transport in Porous Media, 123(1), 101-124, 2018.
Figure 1 : Spectromètre 600 MHz Figure 2 : Champ de vitesse axiale mesuré par IRM
IRM-III Intitulé : Gonflement d’un hydrogel
Encadrant(s) : Didier STEMMELEN , [email protected]
Co-encadrants : Sébastien LECLERC / Tien Dung LE
Domaine : Poro-Mécanique – Physico-Chimie – RMN & IRM
Descriptif 1. Contexte
Les hydrogels sont des gels super-absorbants pouvant gonfler jusqu’à 1000 fois leur volume initial. Ils sont constitués de chaînes polymères liées entre elles suivant un réseau relativement lâche et rendues hydrosolubles par la présence de groupements hydrophiles. Lorsqu’un hydrogel sec est immergé dans l’eau, les molécules d’eau viennent occuper les sites hydrophiles, ce qui conduit à une dilatation du réseau de polymères et à un gonflement macroscopique de l’hydrogel qui peut être tout à fait spectaculaire. Par ailleurs, lors du processus de gonflement d’une bille sphérique d’hydrogel, on observe un phénomène transitoire se traduisant par l’apparition de lobes, puis leur coalescence, pour aboutir à nouveau à une géométrie sphérique de la bille d’hydrogel lorsqu’elle est gorgée d’eau [1,2].
Schématisation du processus transitoire de gonflement d’une bille d’hydrogel et image IRM obtenue après 30 minutes de gonflement.
2. Travail proposé
Le travail proposé consistera à faire l’observation du gonflement de billes d’hydrogel pour tenter de comprendre les mécanismes transitoires d’apparition et de disparition des lobes. On utilisera les outils expérimentaux suivants : microscope numérique, caméra rapide, équipement IRM. On pourra aussi utiliser des moyens de caractérisation disponibles au laboratoire : balance de précision, microbalance, spectromètre RMN à bas champ (Minispec).
En parallèle au travail expérimental, on pourra s’appuyer sur les modélisations poro-élastiques et multi-échelles de milieux poreux expansifs faites au laboratoire pour décrire le gonflement des membranes polymères ou encore des argiles [3].
3. Références
[1] T. Bertrand, J. Peixinho, S. Mukhopadhyay, C. MacMinn ; Physical Review Applied 6, 064010 (2016)
[2] W. Barros, E. Azevedo, M. Engelsberg ; Soft Matter, 8, 8511 (2012)
[3] T.D. Le, C. Moyne, M. Murad ; Advances Water Resources, 75, 31-52 (2015)