ANR - Écoulements supersoniques avec condensation : étude expérimentale pour des systèmes de refroidissement bas carbone // Supersonic flows with condensation: experimental investigation for low-carbon cooling systems

La production de froid représente une part importante de la consommation énergétique mondiale, constituant un levier majeur pour la transition vers des systèmes plus sobres en énergie. Dans ce contexte, le projet ATHENA, piloté par le CEA et s'inscrivant dans le cadre du PEPR SPLEEN (programme national de recherche sur les systèmes énergétiques pour la transition énergétique), vise le développement de technologies de refroidissement bas carbone, notamment via la valorisation de la chaleur fatale industrielle.

Les machines à absorption utilisant le couple ammoniac/eau (NH₃/H₂O) constituent une solution prometteuse pour améliorer l'efficacité énergétique des systèmes frigorifiques. L'intégration d'éjecteurs supersoniques dans ces dispositifs permet d'augmenter l'entraînement de fluides à basse pression et d'améliorer les performances globales. Toutefois, leur fonctionnement repose sur des phénomènes physiques complexes impliquant des écoulements fortement compressibles, des détentes rapides, l'apparition de condensation et de phases diphasiques, ainsi que des interactions avec des structures d'ondes de choc.

L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de formation de la phase condensée dans des écoulements supersoniques et d'analyser son influence sur la structure globale de l'écoulement. Une attention particulière sera portée aux interactions entre condensation, dynamique des chocs et transitions entre régimes d'écoulement gazeux sec et diphasique.

L'étude reposera sur une approche expérimentale menée dans des tuyères supersoniques instrumentées permettant d'accéder à différents régimes d'écoulement. Ces installations permettront d'observer l'apparition progressive de la condensation ainsi que ses effets sur la dynamique du fluide, notamment la position et la structure des ondes de choc et les modifications éventuelles du cœur d'écoulement.

Des diagnostics optiques seront mis en œuvre pour caractériser ces phénomènes. Ils incluront des visualisations de type Schlieren pour l'analyse des gradients de densité, ainsi que des mesures d'atténuation lumineuse pour détecter la présence de phase condensée. En fonction de l'avancement du projet, des techniques complémentaires telles que la rétrodiffusion cohérente, la fluorescence ou des méthodes polarimétriques pourront être envisagées.

Ce travail combinera conception et évolution d'un dispositif expérimental, réalisation de campagnes de mesures, analyse de données et interprétation physique des phénomènes observés. Les résultats attendus contribueront à une meilleure compréhension des écoulements diphasiques compressibles et à l'optimisation de systèmes de refroidissement innovants à faible impact environnemental.
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Cooling production accounts for a significant share of global energy consumption, making it a key lever for improving energy efficiency and supporting the transition toward low-carbon systems. In this context, the ATHENA project, coordinated by the CEA and embedded within the PEPR SPLEEN national research program on energy systems for the energy transition, aims to develop low-carbon cooling technologies, in particular through the valorization of industrial waste heat.

Absorption systems based on the ammonia/water (NH₃/H₂O) working pair represent a promising solution to improve the energy efficiency of refrigeration technologies. The integration of supersonic ejectors in such systems can enhance the entrainment of low-pressure flows and thus improve overall system performance. However, their operation involves complex physical phenomena, including highly compressible flows, rapid expansions, condensation onset, two-phase flow regimes, and strong interactions with shock-wave structures.

The objective of this PhD is to improve the understanding of condensation mechanisms in supersonic flows and to analyze their impact on the overall flow structure. Particular attention will be given to the coupling between condensation, shock dynamics, and transitions between dry gas and two-phase flow regimes.

The study will rely on an experimental approach conducted in instrumented supersonic nozzles, allowing access to a wide range of flow regimes. These facilities will enable the observation of condensation onset and its effects on flow dynamics, including shock-wave position and structure as well as potential modifications of the core flow.

Optical diagnostic techniques will be employed to characterize these phenomena. These include Schlieren imaging for density-gradient visualization and light attenuation measurements for detecting condensed phases. Depending on progress, complementary techniques such as coherent light scattering, fluorescence, or polarimetric methods may also be considered.

This work will combine experimental facility design and development, measurement campaigns, data analysis, and physical interpretation of the observed phenomena. The expected results will contribute to a better understanding of compressible two-phase flows and to the optimization of innovative low-carbon cooling systems.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://www.pepr-spleen.fr/projet/projet-athena/

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université de Lorraine

608 SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE

• Formation en mécanique des fluides, thermique ou physique expérimentale • Goût pour l'expérimentation, l'optique et l'analyse de données • Intérêt pour les systèmes énergétiques et la transition énergétique Des compétences en traitement de données (Python/MATLAB) sont appréciées. Autonomie, rigueur, esprit d'analyse et bon niveau d'anglais requis.
Background in fluid mechanics, thermal engineering, or experimental physics Interest in experimental work, optics, and data analysis Interest in energy systems and the energy transition Skills in data processing (Python/MATLAB) are an asset. Autonomy, rigor, analytical thinking, and a good level of English are required.