Modélisation multi-physiques de l’oxydation hautes températures de métaux - application aux alliages et configurations industrielles

Le PIMM et Air Liquide travaillent en commun depuis de nombreuses années sur le thème de la combustion des métaux en présence d’oxygène pur visant à accroître la sécurité et la fiabilité des procédés industriels actuels et futurs. Trois doctorats (2010-2013, 2018-2021, 2023-2026) ont permis en particulier de progresser dans la compréhension des mécanismes d’allumage d’une combustion en utilisant un dépôt d’énergie laser comme source thermique. La partie prédiction de la propagation de la combustion reste cependant encore lacunaire.

Le sujet proposé s’inscrit dans la continuité de ce travail et se propose d’aborder les points suivants :

1 Validation expérimentale fine du modèle de combustion du fer pur

1.1 Validation thermique/Fréquence de chute des gouttes pour des configurations complémentaires (pression O2, géométrie de l’échantillon)

1.2 Evaluation de la quantité d’O intégrée dans le barreau (mesure de masse)

1. 3. Essais de radiographie à chaud/analyse chimique
2. Etude de géométries et de conditions plus réalistes du fer pur

2.1 Diamètre du barreau vs Epaisseur de la plaque

Par principe, le test ASTM G124 repose sur l’hypothèse que la combustion d’un barreau est représentative de la combustion d’une pièce plane de même épaisseur. Dans la précédente thèse nous avons montré, comme pré-sentis dans la littérature, que la propagation de la combustion est essentiellement guidée par l’équilibre thermiques du système. Or, le barreau et la plaque n’ont pas le même comportement thermique. Dans la présente étude, nous proposons de redéfinir la règle sur ce sujet. Pour ce faire, des simulations numériques seront réalisées pour différentes géométries, les seuils d’allumage seront identifiés à chaque fois et une loi de corrélation sera établie.

1. 2. Loi de propagation en fonction de l’épaisseur du fer pur

A la suite des développements précédents, nous établirons une corrélation entre les vitesses de propagations de la combustion pour les barreaux et pour les plaques en fonction de l’épaisseur. L’idée étant de rendre le modèle plus proche des configurations industrielles réelles et utilisable pour Air Liquide.

2.3 . Effet de la pression sur la combustion du fer pur

La question de l’effet de la pression sur la combustion à également été effleurée durant la précédente thèse, nous proposons maintenant d’étudier plus finement le comportement de la combustion (augmentation de l’oxygène incorporé dans le métal, effet de seuil, …) sous de plus grandes pressions i.e. proches des configurations industrielles (autour de 100 bars) et nous envisageons de préparer la méthodologie pour extrapolerles résultats sur des configurations extrêmes (autour de 700 bars) afin d’ouvrir sur de nouvelles applications potentielles.

2.4 . Effet des conditions d’écoulement sur la combustion du fer pur

3. Ajout d’éléments d’alliage (Cr, Ni).

Pour faire suite à ces différentes analyses physiques, le sujet majeur de la thèse proposé ici sera l’incorporation dans le modèle actuel d’éléments d’alliages (en particulier le Cr, etNi ). Cela a pour vocation, de continuer la création de connaissance pour la communauté scientifique du domaine mais également de se rapprocher encore des configurations industrielles réelles qui font intervenir des alliages de type d’aciers inoxydables ou d’alliages à base de nickel.. Cette tâche est au cœur de la nouvelle thèse, elle intégrera toutes les différentes étapes et validations faites précédemment sur le fer pur, sur des alliage binaires, ternaires puis des matériaux réels. Il s’agit de l’action la plus risquée à cause de la complexité des réactions qui en découleront et fera l’objet d’une revue de la littérature poussée, d’essais et d’analyses spécifiques.

Le PIMM est une Unité Mixte de Recherche (CNRS/ENSAM/leCNAM) fondé en 2010, qui viseà répondre aux enjeux « Matériaux » de l’industrie du futur et du développement durable dans les secteurs du transport, de l’énergie, de l’emballage et de la santé.

Le laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux (PIMM) rassemble une vaste gamme de spécialistes allant de la mécanique des matériaux et des structures à la métallurgie et la chimie des polymères, des procédés de mise en forme et d’assemblage aux méthodes avancées de la simulation numérique.

Le PIMM et Air Liquide ont créé un laboratoire commun MaHTEO (Matériaux à Haute Température, Environnement gazeux et Oxygène) pour étudier en particulier la combustion des métaux en présence d’oxygène pur.

Le problème étant multiphysique (identification de la source thermique moteur de la réaction de combustion,  les phénomènes de transport et de diffusion aux interfaces et dans le bain liquide), le-la candidat(e) doit disposer d’un master 2 (ou équivalent) dans le domaine physique/énergétique avec une forte composante en simulation multi physique (thermique, hydrodynamique, diffusion).

Une première expérience en identification paramétrique (Méthode inverse) serait appréciée.

Compte tenu du contexte industriel du sujet, capacité rédactionnelle, aisance aux présentations et à la vulgarisation et maîtrise de l’anglais sont indispensables.