Étude numérique multi-échelle du transfert de masse dans les écoulements diphasiques

Le laboratoire MSME est composé de 4 équipes de recherche.

L'équipe "Transferts de Chaleur et de Matière" travaille sur la modélisation des écoulemenrts et des transferts par simulation numérique en développant des schémas adaptés, performants et originaux.

Elle se compose de 7 enseignants-chercheurs,d'un ingénieur de recherche CNRS, de nombreux doctorants et post-doctorants.

Contexte : Les écoulements diphasiques (gaz-liquide, liquide-liquide) sont omniprésents dans les procédés industriels (réacteurs chimiques, colonnes de distillation, systèmes de purification d’eau, usines d’épuration, etc.) et les phénomènes naturels (évaporation, dissolution, etc.). La compréhension fine des mécanismes de transfert de masse à l’interface entre les phases est cruciale pour optimiser ces procédés. Ces transferts sont souvent gouvernés par des phénomènes multi-échelles, où les épaisseurs de la couche limite massique peut être très différentes des échelles locales de la dynamique.

Problématique : Dans les écoulements diphasiques, le transfert de masse est généralement modélisé à l’aide de coefficients de transfert empiriques, semi-empiriques ou à travers des modèles 1D. Ces approches ne capturent pas toujours correctement la physique, notamment le développement de la couche limite massique engendrée à l’interface entre des fluides non-miscibles. Or, le rapport des échelles donné par le nombre de Schmidt peut varier de plusieurs ordres de grandeur selon les fluides, ce qui influence fortement les mécanismes de transfert. Comment modéliser et quantifier ces interactions multi-échelles pour prédire avec précision le transfert de masse ?

Objectifs du stage :

• Analyse bibliographique : Synthétiser l’état de l’art sur les modèles de transfert de masse en écoulements diphasiques, en insistant sur les approches multi-échelles.
• Modélisation théorique : Comprendre les équations du transfert de masse à travers des interfaces de fluides non-miscibles.
• Modélisation numérique : Participer au développement de l’outil numérique, en particulier pour la résolution du transfert de masse.
• Validation : Utiliser le code de calcul Fugu (outils de CFD développé au sein du lab. MSME) pour simuler des cas tests analytiques d’écoulements diphasiques ou de la littérature (ex. : bulle, goutte) et analyser l’influence du nombre du nombre de Schmidt et du maillage sur la précision des solutions numériques.
• Simulation numérique : Réaliser des calculs de transferts de masse dans des problèmes complexes, comparaison à des expériences.

Méthodologie :

• Outils numériques : Prendre en main et développer dans le code CFD Fufu (code MSME/UGE) pour la simulation des écoulements diphasiques et du transfert de masse.
• Analyse dimensionnelle : Utilisation des paramètres adimensionnels (Schmidt, Reynolds, Sherwood, Morton, Eötvös) pour caractériser les régimes d’écoulement et les mécanismes de transfert.
• Approche multi-échelle : Décomposition des phénomènes en échelles (écoulement fluide, transfert massique) et analyse des couplages à l’interface entre les phases.

Compétences requises :

• Connaissances en mécanique des fluides, transfert de masse, et écoulements diphasiques.
• Maîtrise de langages de programmation.
• Rigueur, analyse critique et goût pour la recherche.

Perspectives : Ce stage permettra de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux du transfert de masse en écoulements diphasiques, avec des applications directes dans l’optimisation des procédés industriels (intensification des transferts, réduction des coûts énergétiques). Les résultats pourront également alimenter des travaux de recherche plus larges sur la modélisation multi-échelle des écoulements.
Une poursuite en thèse sur la thématique des transferts de masse dans les écoulements diphasiques est envisagée.

Encadrement :

• Eric Chénier, Professeur des Universités
• Benoît Trouette, Maître de Conférences HDR

Lieu :
Université Gustave Eiffel
Cité Descartes
77420 Champs-sur-Marne
Accès : RER A et future ligne 15, station Noisy-Champs

Références :
[1] P. K. Farsoiya, S. Popinet, and L. Deike. Bubble-mediated transfer of dilute gas in turbulence. Journal of Fluid Mechanics, 920:A34, 2021.
[2] A. Kherbeche, M. Mei, M.J. Thoraval, G. Hébrard and N. Dietrich. Hydrodynamics and gas-liquid mass transfer around a confined sliding bubble. Chemical Engineering Journal 386, 121461, 2020.
[3] S. El Ouafa, S. Vincent, V. Le Chenadec, and B. Trouette. Fully-coupled parallel solver for the simulation of two-phase incompressible flows. Computers & Fluids, 265:105995, 2023.
[4] N. Djaballah, B. Trouette, E. Chénier, C. Selçuk, L. Libat and S. Vincent. New scheme for solving mass transfer between two immiscible phases with a two-field concentration approach on Cartesian meshes: Validation in bubble cases. Submitted to International Journal of Heat and Mass Transfer, 2026.

Ingénieur en projet de fin d'études ou stagiaire M2

Compétences requises :

• Connaissances en mécanique des fluides, transfert de masse, et écoulements diphasiques.
• Maîtrise des langages de programmation (Fortran pour le code CFD, Python pour le post-traitement).
• Rigueur, analyse critique et goût pour la recherche.

Possibilité de poursuite en thèse de doctorat sur le même sujet.