Simulation Multi-échelle Avancée et Réduction des Temps de Calcul pour l’Optimisation du stockage sécurisé de CO₂ dans les veines de chArbon à bas TRL (SMART-COAL)

Dans le contexte de la décarbonation industrielle et de la neutralité carbone, le stockage géologique du CO₂ dans les veines de charbon à bas TRL représente une solution prometteuse pour réduire les émissions de gaz à effet de serre.

Les veines de charbon se caractérisent par une forte capacité d’adsorption du CO₂ supérieure à celle de méthane ce qui les positionne comme des cibles privilégiées pour la récupération de méthane. Cependant, ces milieux posent des défis majeurs : gonflement induit par l’adsorption, réduction de perméabilité, endommagement et fissuration qui affectent directement la sécurité du stockage. Le projet de thèse a pour objectif de caractériser et de modéliser le comportement thermo-chimio mécanique (TCM) des veines de charbon, en se focalisant sur les mécanismes de gonflement, de réduction de perméabilité et de fissuration provoqués par l’adsorption de CO₂.

La phase expérimentale (essais de gonflement sous CO₂, perméabilité, endommagement) sera réalisée sur la plateforme de l’Unité de Mécanique de Lille.

La phase numérique portera sur le développement de modèles multi-physiques (thermo-chimio mécaniques), s’appuyant sur la Méthode des Éléments Finis (MEF) et des approches discrètes.

Ces modèles seront rigoureusement validés par les données expérimentales, puis enrichis par des jumeaux numériques entraînés par apprentissage automatique (Machine Learning). Ces outils permettront de prédire les risques de fissuration et d’optimiser les scénarios d’injection de CO₂.

Ce travail, aligné sur la PTR3 de l’ADEME, contribuera directement à l’appui opérationnel des pouvoirs publics et des acteurs industriels dans le déploiement du CCUS (Capture, Utilisation et Stockage du Carbone) en France.

La création de l'Unité de Mécanique de Lille - Joseph Boussinesq (UML), le 1er janvier 2018, s’inscrit dans une phase de restructuration de la mécanique lilloise. Il se veut une continuité de l'histoire du Laboratoire de Mécanique de Lille (LML), créé il y a plus de 30 ans, histoire riche de phases de croissance et de développements importants.
 

Les champs scientifiques concernés par l’Unité de Mécanique de Lille sont doubles puisqu’ils regroupent des mécaniciens des fluides et des solides.

Pour la partie Mécanique des Fluides, il s’agit d’étudier et de comprendre les phénomènes physiques liés au comportement des écoulements complexes de fluides Newtoniens, non-Newtoniens et leur interaction. Plus précisément, les activités de recherche sont orientées sur l’étude de la réduction de la traînée en écoulement turbulent, les instabilités hydrodynamiques et thermiques, la dispersion et la convection turbulente avec applications à l’environnement. Sur la base de la compréhension physique des écoulements, les approches utilisées sont exclusivement celles de la modélisation analytique ou numérique avec l’élaboration de codes spécifiques ou d’implémentation dans des codes commerciaux.

Pour la partie Mécanique des Solides, il s’agit essentiellement du domaine de la mécanique des matériaux où les recherches menées concernent l’étude du comportement mécanique, de l’endommagement (en chargement monotone, en fatigue et par impact). Ces recherches s’appuient sur des approches à la fois expérimentales et de modélisation analytique ou numériques. Les complexités sont liées aux non linéarités matérielles (grandes transformations pour les polymères, par exemple), aux couplages (thermomécanique, endommagement, vieillissement, fluides-solides, etc.) et aux chargements (uniaxiaux, multiaxiaux, impacts).

A signaler enfin une thématique spécifique, concernant les interactions fluides structures (IFS) et dont la ligne directrice est le développement des méthodes numériques, sera consolidée.

Le laboratoire UML est structuré en deux équipes de recherche :

Mécanique des Fluides Complexes (MFC) qui s'intéresse à l’étude et à la compréhension de phénomènes physiques liés au comportement des écoulements complexes de fluides Newtoniens, non-Newtoniens et leur interaction. Nous nous intéressons aux instabilités et aux turbulences dans les écoulements viscoélastiques, dans les systèmes à convection naturelle et dans les systèmes multiphasiques à phases dispersées . Au cours des dernières années, nous avons accru notre intérêt pour la mécanique des fluides environnemental et developpé des recherches axée sur la modelisation des processus bio-geo-chimiques océaniques.

Mécanique des Matériaux et des Structures (MMS) avec des spécificités portant sur les grandes déformations, les sollicitations dynamiques (impact balistique), et qui axe ses recherches sur les problèmes de couplages procédé-propriétés et l’endommagement (fatigue et rupture). Cette équipe développe à la fois des méthodes expérimentales et la modélisation analytique et numérique basées sur des approches multi-échelles, en s’appuyant sur les techniques d’homogénéisation.

Niveau Master ou équivalent en mécanique des matériaux, avec un profil à la fois numérique et expérimental.
Des connaissances en sciences des données et en apprentissage automatique seront très appréciées.