MESR : Étude numérique des lits fluidisés pour la récupération de chaleur fatale // Numerical Study of Fluidized Beds for Waste Heat Recovery

Dans un contexte où la transition énergétique et la réduction des émissions de gaz à effet de serre constituent des priorités globales, la valorisation de la chaleur fatale issue de procédés industriels à haute température, tels que la verrerie, la métallurgie ou la production de céramiques, représente un enjeu clé pour améliorer l'efficacité énergétique. En France, selon l'ADEME, le potentiel de chaleur fatale inexploité est estimé à 106 TWh/an, ce qui en fait une source d'énergie sous-utilisée mais essentielle pour réduire l'empreinte carbone industrielle. Cette chaleur fatale, souvent sous-exploitée, représente une source d'énergie significative pour optimiser l'efficacité énergétique des systèmes industriels. Le stockage de cette chaleur peut être effectué de manière efficace à l'aide de lits fluidisés, qui offrent d'excellentes capacités d'échange thermique et de stockage de la chaleur pour plusieurs raisons (Efficacité des échanges thermiques, capacité d'atteindre des températures élevées, Flexibilité et réponse dynamique des réacteurs, …).

La modélisation des lits fluidisés reste cependant complexe en raison des phénomènes d'écoulements multiphasiques gaz-solides qui se produisent à différentes échelles spatiales et temporelles. Le développement de modèles numériques avancées (par simulation CFD permet de comprendre et d'optimiser ces systèmes. La thèse portera sur l'utilisation du logiciel open-source MFIX pour la simulation des lits fluidisés et le couplage de ces simulations avec une modélisation des échanges thermiques par méthode de Monte-Carlo afin de mieux récupérer la chaleur fatale.
Le couplage entre les résultats expérimentaux (Thèse de Q. Gueux, démarrée en 2024 au LEMTA) et les simulations numériques réalisées dans cette thèse permettra une exploration complète des mécanismes hydrodynamiques et thermiques, tout en offrant une validation rigoureuse des modèles numériques développés. Les travaux réalisés contribueront également à la mise au point d'un prototype à l'échelle supérieure pour le stockage et la récupération couplés, intégrant les aspects thermiques, mécaniques et de contrôle dynamique.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

At a time when the energy transition and the reduction of greenhouse gas emissions are global priorities, the recovery of waste heat from high-temperature industrial processes, such as glass production, metallurgy and ceramics production is one of the key issues for improving energy efficiency. In France, according to the ADEME agency, the potential of unexploited wasted heat is estimated at 106 TWh/year. The recovery of this under-exploited waste heat would be a key factor for optimizing the energy efficiency and reducing the carbon footprint of industrial systems. This waste heat can be efficiently recovered using fluidized beds, which offer excellent heat exchange and heat storage capacities, for several reasons (Heat transfer efficiency, ability to reach high temperatures, reactor flexibility and dynamic response, etc.).

However, the modelization of fluidized beds remains complex due to the multiphase gas-solid flow phenomena occurring at different spatial and temporal scales. The development of advanced numerical solutions (using CFD simulations) is now a key tool for understanding and optimizing these systems. The thesis will focus on the use of the open-source MFIX software for fluidized bed simulations, and the coupling of these simulations with heat exchange modeling by Monte-Carlo methods in order to optimize the waste heat recovery.

The coupling between experimental results (PhD thesis of Q. Gueux, starting in 2024 at LEMTA) and numerical simulations will enable a comprehensive exploration of the hydrodynamical and thermal mechanisms of the fluidized bed, while offering a rigorous validation of the numerical models that are developed. This work will also contribute to the development of a full-scale prototype for coupled storage and recovery, by integrating the thermal, mechanical and dynamic control aspects.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/11/2026

Enseignement supérieur

Université de Lorraine

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

Connaissances solides en mécanique des fluides, écoulements multiphasiques et transferts thermiques. Aptitudes pour les outils et langage de simulation numérique (MFIX, ANSYS FLUENT, MatLab, langage C, Python, …). Connaissances avérées en simulation numérique pour la mécanique des fluides et la thermique. Intérêt pour les validations expérimentales.
Solid knowledge of fluid mechanics, multiphase flows and heat transfer. Aptitudes for numerical simulation packages and languages (MFIX, ANSYS FLUENT, MATLAB, C language, Python, …). Proven knowledge on numerical simulation for fluid mechanics and heat transfer. Interest in experimental validation.