Modélisation et simulation du procédé de projection plasma de suspension : contribution à la compréhension du traitement physique de la suspension // Modeling and simulation of suspension plasma spraying process: a contribution to the understanding of the

La projection plasma de suspension permet d'obtenir des revêtements avec des microstructures fines et variées répondant à des applications exigeantes qui émergent au niveau industriel comme par exemple, des barrières thermiques de nouvelle génération pour l'aéronautique. Dans ce procédé, la suspension liquide contenant les particules submicroniques du matériau à déposer est injectée dans un jet de plasma thermique pour être fragmentée, évaporée libérant des particules submicroniques individuelles ou agglomérées qui sont alors accélérées et fondues et vont impacter et s'étaler sur la pièce à revêtir pour former le dépôt. La maitrise du procédé nécessite la compréhension des mécanismes complexes et interdépendants qui régissent le traitement de la suspension et la construction du revêtement. Cette compréhension passe par la simulation du procédé en fonction de ses paramètres opératoires par un jumeau numérique, depuis la génération du jet de plasma jusqu'à la construction du dépôt. Les laboratoires IRCER et TREFLE de l'I2M se sont associés pour faire avancer cette problématique qui intéresse fortement la société Safran, leader international pour la réalisation de dépôts sur pièces aéronautiques. Ces travaux de modélisation sur la formation du jet de plasma, son développement turbulent, le traitement de la suspension et la construction du dépôt ont donné lieu à un premier projet et qui se poursuit avec le support de Safran et de la région Nouvelle-Aquitaine.
Le travail de ce doctorat consistera à modéliser le comportement des particules submicrométriques au sein d'une goutte de suspension déjà fragmentée et soumise au flux de chaleur et au cisaillement de l'écoulement plasma et dont le liquide porteur s'évapore, se déforme et recircule en prenant en compte la diffusion et les forces sur/entre particules, et ce, de façon à prédire le nombre de particules résultant, leur taille voire leur forme, une goutte pouvant possiblement conduire à la naissance des plusieurs agrégats.
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Suspension plasma spraying can be used to produce coatings with a variety of fine microstructures to meet the demanding requirements of emerging industrial applications, such as new-generation thermal barriers for the aerospace industry. In this process, the liquid suspension containing submicron particles of the material to be deposited is injected into a thermal plasma jet to be fragmented and evaporated, releasing individual or agglomerated submicron particles which are then accelerated and melted, impacting and spreading out on the part to be coated to form the coating. Mastering the process requires an understanding of the complex, interdependent mechanisms governing suspension processing and coating construction.
This understanding requires simulation of the process as a function of its operating parameters by a digital twin, from plasma jet generation to coating construction. The IRCER and TREFLE laboratories at I2M have joined forces to make progress on this issue, which is of great interest to Safran, the international leader in the production of coatings for aeronautical parts. This modeling work on plasma jet formation, turbulent development, suspension treatment and deposit construction gave rise to an initial project, which is continuing with support from Safran and the Nouvelle-Aquitaine region.
The aim of this PhD will be to model the behavior of submicrometer particles within an already fragmented suspension droplet, subjected to the heat flux and shear of the plasma flow, and whose carrier liquid evaporates, deforms and recirculates, taking into account diffusion and forces on/between particles, so as to predict the number of particles resulting, their size and even their shape, as one droplet could possibly lead to the birth of several aggregates.
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Début de la thèse : 01/10/2025

https://www.unilim.fr/

Activités/Compétences du/de la doctorant(e) • Développer et implémenter des modèles numériques (=> représenter la physique régissant les interactions goutte de suspension/plasma : approche diphasique Eulérienne (gaz/liquide), Lagrangienne (comportement des particules en suspensions dans la goutte), • Connaitre les approches diphasiques • Implémenter les schémas numériques adaptés à ces modèles. • Interagir avec les chercheurs du laboratoire pour valider le modèle et avec les doctorants des étapes 2 et 4. Connaissances et première expérience indispensable en modélisation, méthodes numériques, programmation et physique, bon sens physique, capacité à communiquer avec les partenaires. Profil : CFD, ingénierie mathématiques, ingénierie modélisation
Doctoral student's activities/skills - Develop and implement numerical models (=> represent the physics governing suspension drop/plasma interactions: Eulerian two-phase approach (gas/liquid), Lagrangian (behavior of suspended particles in the drop), - Knowledge of two-phase approaches - Implement numerical schemes adapted to these models. - Interact with laboratory researchers to validate the model and with PhD students in stages 2 and 4. Knowledge and initial experience essential in modeling, numerical methods, programming and physics, good physical sense, ability to communicate with partners. Profile: CFD, mathematical engineering, modeling engineering