Milieux Multi-Physiques et Système

Thématique Milieux Multi-Physiques et Système

Les contraintes d’ordre énergétique et climatique ne font que s’accroitre d’années en années. La réduction des consommations énergétiques et des émissions de CO2 à travers le développement de solutions décarbonées et plus efficaces énergétiquementsont de plus en plus mis en avant ces dernières années. Dans ce contexte, le Groupe Thématique Milieux Multi-Physique et Systèmes (GT MPS) vise à répondre à ces enjeux économiques et sociétaux à travers l’amélioration de l’efficacité des systèmes énergétiques et des procédés. Notre démarche scientifique est basée sur l’identification, la compréhension et la modélisation des phénomènes multi-physiques mis en jeu dans les composants thermiques, les procédés et systèmes énergétiques en vue de leur optimisation, leur contrôle voire à leur pilotage dans un environnement systémique dynamique. Les recherches menées sur cette thématique portent sur deux champs de compétences/scientifiques :

1. Les phénomènes « multi-physiques » : il s’agit en particulier de phénomènes multiphasiques mettant en jeu des changements d’état gaz/liquide ou liquide/solide. Le GT intègre dans certaines problématiques/applications d’autres phénomènes multi-physiques comme le transport de particules, les phénomènes réactifs voire le couplage avec la mécanique des solides et les matériaux ou les procédés de fabrication.

2. Les approches multi-échelles et systémiques : le GT développe des méthodes et des modèles numériques qui intègrent des échelles diverses allant du millimétrique à l’échelle systémique. Les phénomènes précisés au point 1) associés aux composants thermiques et procédés étudiés sont fortement dépendants du temps et se produisent souvent en l’absence de régime dit « établi ». Le développement de modèles réduits devient souvent un objectif pour diminuer les coûts de calcul tout en ayant une prédiction fidèle à la physique.

Les applications cibles sont les systèmes de stockage thermique sensible ou latent (impliquant des changements d’état) les systèmes énergétiques impliquant l’utilisation d’énergies renouvelables, la récupération de chaleur fatale dédiée à l’industrie ou au bâtiment, les procédés industriels pouvant intégrer une physique complexe et multi-échelle. Les phénomènes multiphasiques se produisent au sein des échangeurs de chaleur ou procédés industriels tels que les changements d’état liquide/vapeur ou encore le transport de particules conduisant à leur encrassement. Des applications concernent également la simulation de la qualité de l’air intérieur couplée au confort thermique et au développement de capteurs tenant compte des interactions fluide/surface. Ces derniers thèmes sont développés conjointement avec le GT QAI de l’équipe SAGE.

Les questions scientifiques qui relèvent du GT sont en premier lieu d’ordre applicatif relevant principalement de l’ensemble des techniques mises en jeu permettant d’augmenter l’efficacité énergétique du système ou composant : Quelle technique de stockage ou d’intensification pour mieux maitriser l’inertie thermique du système ou la récupération de chaleur fatale ? Comment accroître à la fois la performance globale d’un procédé et son efficacité énergétique ? Quel doit être le comportement du composant thermique (optimisé/intensifié à l’échelle locale ou non) lorsqu’il est intégré dans un système énergétique pour optimiser le fonctionnement et l’efficacité du système ? Comment optimiser et piloter les techniques d’intensification actives ou passivo-actives (développées dans le GT MFC) de manière plus intelligente en fonction des conditions variables de fonctionnement du système et de son environnement ? Dans un deuxième temps, les questions sont d’ordre méthodologique. Proposer des stratégies de modélisation multi-échelle sous-entend le développement de méthodes de modélisation adaptée : Par quelle approche doit-on commencer le processus de modélisation ? Doit-on commencer par des approches CFD nécessitants des coûts de calcul importants pour adopter dans un deuxième temps des modèles réduits à échelle systémique et obtenir une configuration optimisée ou intensifiée ? A l’inverse, est-il plus judicieux de commencer par des simulations globales pour terminer sur le local en vue d’une intensification ou optimisation ? Comment optimiser un système/composant/procédé dont le fonctionnement est dynamique ? Quelle technique d’optimisation doit-on adopter pour approcher de l’optimum tout en ayant des coûts de calcul raisonnables ? Comment peut-on développer un modèle réduit du comportement dynamique d’un composant ou procédé avec quelles représentativité/limitations ? Comment identifier expérimentalement les déterminants physiques nécessaire à la modélisation ?

Stratégie scientifique du groupe thématique Milieux Multi-Physiques et Système

Pour répondre à ces questions, les recherches du GT MPS s’appuient à la fois sur une double compétence numérique et expérimentale ; le processus de modélisation intègre le plus souvent une validation expérimentale pouvant s’étaler sur plusieurs échelles TRL (de 3 à 7). L’achat d’équipement est donc particulièrement mis en avant pour développer les thématiques du GT MPS en vue de valider les modèles, ou à travers des collaborations académiques. Le GT MPS est équipé de matériel d’investigation expérimentale et d’instrumentation scientifique de pointe. Cette instrumentation répond au double objectif d’identifier les déterminants physiques des modèles construits et de procéder à la validation de ces modèles. Il a notamment pour objectif de développer une plateforme « bâtiment du futur » à l’aide d’un pavillon expérimental à échelle 1:1. La stratégie du GT est également basée sur le renforcement de collaborations industrielles déjà existantes et le développement de nouvelles collaborations avec des partenaires industriels de tailles diverses (allant de la PME à la TGE) issus du tissu économique régional Hauts-de-France ou national. Les collaborations académiques sont développées à l’échelle régionale (JUNIA) ou nationale (IMT Atlantique) mais également à l’international (UMONS,  Belgique; ETS, Canada). La recherche est cofinancée à travers la réponse aux appels à projets de thèse région et ADEME notamment, ainsi qu’à travers la mise en place de dispositif de thèses CIFRE avec les partenaires industriels.