Thèse Identification des Propriétés Thermiques de Matériaux Hétérogènes à Haute Température H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : LMEE - Laboratoire de mécanique et d'énergétique d'Evry Direction de la thèse : Frédéric JOLY ORCID 0009000520792804 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59 Il existe de nombreuses situations lors desquelles des matériaux isolants sont portés à une température dépassant le millier de kelvin : la production d'énergie, les fours industriels ou encore la protection d'objets envoyés en hautes altitudes [1]. Il est nécessaire de caractériser les propriétés physiques de ces matériaux. Beaucoup de dispositifs de mesure des propriétés thermiques opérant en dessous de 1000°C reposent sur des méthodes analytiques pour réaliser l'identification des paramètres thermiques, ou sur des modèles simplifiés approche Rosseland et méthode P1 notamment). Pour des niveaux de température encore plus élevés, ces méthodes montrent leur limite, qui plus est pour des matériaux céramiques complexes (poreux et structure optimisée) [2-3]. En effet, compte tenu des très faibles épaisseurs optiques dans ces milieux, il faut développer une méthode de résolution de l'équation des transferts radiatifs prenant en compte le caractère tridimensionnel des transferts, l'hétérogénéité de l'ensemble cellule de mesure/échantillon et les transferts couplés conducto-radiatifs. Une récente étude comparative a montré que la résolution d'un tel problème est encore un problème ouvert, puisque des écarts significatifs sont trouvés entre les différentes approches [4]

L'utilisation de plus en plus généralisée de la tomographie donne accès à une description précise de la géométrie pour l'utilisation des outils de simulation. De plus l'utilisation conjointe des modèles numériques et des essais expérimentaux rend possible l'identification de paramètres intrinsèques aux matériaux, via des techniques numériques particulières : ce sont les méthodes inverses qui permettent à partir de la connaissance de conséquences (température en quelques points), d'en déterminer la cause (paramètres thermo-physiques par exemple) [5-6]. Cette méthode a notamment permis de remonter aux propriétés thermiques des deux composants d'un matériau hétérogène [7]. Cependant, les méthodes inverses sont souvent itératives et donc particulièrement coûteuses en ressources de calcul. Ceci est particulièrement vrai si l'équation de transfert radiatif est résolue par une approche stochastique, et si les images 3D issues de la tomographie (pouvant contenir jusqu'à un milliard de voxels) sont utilisées directement comme maillage.

Un code numérique performant a été développé au LMEE pour évaluer les transferts thermiques à l'échelle de la microstructure. Ce code exploite la parallélisation massive offerte par les cartes graphiques (GPU), et utilise une discrétisation par éléments tétraédriques qui permet de réduire le nombre de degrés de liberté. L'objectif de la thèse est l'intégration de ce code de calcul dans une procédure d'identification, afin de déterminer les propriétés thermiques locales d'un matériau hétérogène. Il existe de nombreuses situations lors desquelles des matériaux isolants sont portés à une température dépassant le millier de kelvin : la production d'énergie, les fours industriels ou encore la protection d'objets envoyés en hautes altitudes. Il est nécessaire de caractériser les propriétés physiques de ces matériaux. Beaucoup de dispositifs de mesure des propriétés thermiques opérant en dessous de 1000°C reposent sur des méthodes analytiques pour réaliser l'identification des paramètres thermiques, ou sur des modèles simplifiés (Rosseland, P1), cela n'est plus possible au-delà : à ce niveau de température, il faut développer une méthode de résolution de l'équation des transferts radiatifs prenant en compte le caractère tridimensionnel des transferts, l'hétérogénéité de l'ensemble cellule de mesure/échantillon et les transferts couplés conducto-radiatifs. L'objectif de la thèse est l'identification de paramètres thermophysiques de matériau fortement hétérogène par méthodes inverses. Dans un premier temps, un code purement conductif sera utilisé pour identifier des conductivités thermiques locales apparentes, englobant conduction et rayonnement, ainsi que la capacité thermique.
Dans un deuxième temps, un code couplant la conduction et le rayonnement sera utilisé dans la procédure inverse pour remonter aux propriétés locales conductives et radiatives des constituants du matériau hétérogène. L'utilisation de plus en plus généralisée de la tomographie donne accès à une description précise de la géométrie pour l'utilisation des outils de simulation.
Un code numérique performant a été développé au LMEE pour évaluer les transferts thermiques à l'échelle de la microstructure. Ce code exploite la parallélisation massive offerte par les cartes graphiques (GPU), et utilise une discrétisation par éléments tétraédriques qui permet de réduire le nombre de degrés de liberté.
De plus l'utilisation conjointe des modèles numériques et des essais expérimentaux rend possible l'identification de paramètres intrinsèques aux matériaux, via des techniques numériques particulières : ce sont les méthodes inverses qui permettent à partir de la connaissance de conséquences (température en quelques points), d'en déterminer la cause (paramètres thermo-physiques par exemple). Dans le cadre de cette thèse, les essais expérimentaux seront remplacés par des simulations numériques.

Le candidat doit avoir des compétences en transferts thermiques, modélisation numérique et programmation.

• Logiciels de simulation-modélisation