Développement d’une approche de Mushy-Layer pour modéliser la congélation de l’eau saline dans un réacteur à paroi froide

Le laboratoire est une Unité Mixte de Recherche (UMR 6634) entre l’Université de Rouen Normandie, l’INSA Rouen Normandie et le CNRS où il est rattaché à CNRS-Physique (INP). Il est dirigé par Xavier Sauvage, directeur de recherche au CNRS.

Notre identité : Les activités scientifiques du GPM trouvent leurs racines dans l’histoire du laboratoire dont les prémices remontent à la fin des années 60. L’instrumentation scientifique y a toujours joué un rôle central, et les techniques de microscopie et d’analyse des matériaux un rôle fédérateur. Des évolutions progressives ont forgé le GPM d’aujourd’hui, qui possède une plateforme instrumentale de premier rang mondial et des activités dans de nombreux champs thématiques. Celles-ci sont distribuées dans cinq départements thématiques :

L'environnement régional : Le GPM est un des laboratoires fondateurs de l’Institut CARNOT ESP (Energie et Systèmes de Propulsion) en raison de ses recherches partenariales sur les verrous technologiques des matériaux liés à l’Energie (Production, Transfert, Stockage) et le Transport (Automobile, Aéronautique, Aérospatial). Il est aussi membre du Pôle de Compétitivité MOVEO, de la filière « Normandie AéroEspace (NAE) » et de la filière Normande « Energies ». Le GPM est également membre fondateur du Laboratoire d’Excellence EMC3 (Centre des Matériaux pour l’Energie et de la Combustion Propre) et est porteur du projet d’Equipement d’Excellence GENESIS (Groupe d’Etudes et de Nanoanalyses des Effets d’Irradiations) pour l’étude de matières radioactives. Le GPM est un laboratoire de la fédération CNRS IRMA (Institut de Recherche sur les Matériaux à Propriétés Avancées, en association avec le CIMAP et le CRISMAT), qui est elle-même membre du réseau National de Microscopies (METSA). Il est également membre du Centre de Compétences C’Nano Nord Ouest, et du Réseau d’Intérêt Normand « Energie et Matériaux ».

Mots clef :

approche mushy-layer, solidification, désalinisation, simulation numérique, adaptation changement climatique.

Contexte & objectif :

La dégradation de la qualité de l’eau douce, la modification de sa répartition terrestre en raison du réchauffement climatique et les besoins accrus de l’homme font que l’eau douce devient une ressource complexe à manager. La désalinisation de l’eau de mer est une des solutions envisagées actuellement pour gérer ces besoins croissants en eau douce. Dans ce cadre, la congélation sur paroi froide (ILC) est un procédé innovant envisagé pour la désalinisation de l’eau de mer, en raison de sa faible demande énergétique et de son absence de prétraitements de l’eau en amont. Ce procédé sépare l’eau de mer en deux phases (une phase solide -glace- et solution saline concentrée), en y appliquant des conditions opératoires proches de l’eutectique. Ce procédé n’est cependant pas encore mature technologiquement, car la pureté de la glace s’avère hétérogène, ce qui limite fortement le rendement du procédé. Une condition préalable à l’optimisation de ce procédé, est donc de comprendre
finement les mécanismes de solidification de la glace dans l’eau salée, et de prédire la morphologie et la cinétique de croissance de la couche de glace dans le réacteur ILC. Dans cet objectif, ce stage de M2 vise à développer une approche de type Mushy-Layer, pour simuler numériquement la congélation de l’eau saline dans des conditions proches du réacteur ILC. Méthode : Le principe de ce modèle est de décrire le front de solidification comme un milieu poreux où la glace et l’eau salée coexistent, et ce dont l’évolution est imposée par les équations de  conservation. Un trait distinctif de l’approche MLM, est de tenir compte de l’influence de la convection de l’eau salée au sein des pores de la glace sur la morphologie de la couche de glace, tout en atteignant des échelles spatiales suffisantes pour décrire le procédé de solidification sur un domaine conséquent du
réacteur. L’objectif du stage sera de proposer une approche MLM adaptée à la solidification de l’eau salée, d’implémenter informatiquement ce modèle, et de réaliser des simulations de croissance de la glace dans des conditions proches de celle du réacteur ILC.

 

Étudiant ou étudiante en cycle master disposant de  connaissances solides en génie des procédés ou en science des matériaux, et présentant un intérêt marqué pour la simulation numérique. Des compétences en programmation informatique sont souhaitables. Informations pratiques : Stage d’une durée de 6 mois à partir de février 2026, encadré par Gilles Demange (Maı̂tre de Conférences) au sein de l’équipe ≪Modélisation Multi-Échelles des Transitions de Phase ≫ (MMTP) du Groupe de Physique des Matériaux (GPM, UMR 6634, Université de Rouen-Normandie) et par Aurélie Galfré (Maı̂tresse de Conférences) de l’équipe DYCOP du laboratoire LAGEPP(UMR 5007, Université de Claude Bernard Lyon 1). Le GPM est un laboratoire reconnu
pour l’étude des matériaux, tant sur le plan de la modélisation numérique que de l’instrumentation scientifique.