Thèse - Sélection des cellules de convection lors d'instabilités convectives en milieu poreux hétérogène

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Stage Géologie / Géochimie Hauts-de-Seine entre septembre et décembre 2024 36 mois


IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action, articulée autour de quatre priorités stratégiques : Mobilité Durable, Energies Nouvelles, Climat / Environnement / Economie circulaire et Hydrocarbures Responsables.

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

  • l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
  • la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Partie intégrante d’IFPEN, l’école d’ingénieurs IFP School prépare les générations futures à relever ces défis.

Poste de Thèse de Doctorat (3 ans, démarrage à l’automne 2024)

Sélection des cellules de convection lors d’instabilités convectives en milieu poreux hétérogène : Application à la détermination des flux thermiques et au transport de solutés dans des structures géothermiques

L'existence de convection libre dans les structures géologiques, devenue une évidence depuis quelques décennies, connaît actuellement un regain d’intérêt en géothermie pour la production de chaleur et le transport de solutés (Lithium). Les rouleaux et plus généralement cellules de convection, susceptibles de se développer, localisent en effet l’anomalie thermique, assurent le transport de chaleur mais aussi de solutés, et pilotent le temps caractéristique de la recharge thermique.

Ce processus est dû à une instabilité dite de Rayleigh Bénard en fluide pur, et de Horton Rogers Lapwood en milieu poreux. Son existence est caractérisée par le nombre de Rayleigh Ra = αΔTgL3/νκ en fluide pur, où α désigne le coefficient de dilatation thermique, L la longueur caractéristique du milieu aux bornes duquel s’exerce la différence de température ΔT, ν la viscosité cinématique du fluide et κ la diffusivité thermique. Pour que l’instabilité se déclenche, il est nécessaire que Ra dépasse une valeur critique.

Les travaux passés se sont tous focalisés sur la détermination du Ra critique en adaptant la physique au cas spécifique du milieu poreux, en considérant le plus souvent un milieu homogène.

Dans le cas instable, ces approches disent peu de choses sur la sélection des modes instables qui vont se développer sous la forme de cellules de convection, susceptibles d’augmenter considérablement le flux thermique local et le transport de solutés dans le milieu.

Par une approche combinant analyse théorique et simulation, le doctorant étudiera le couplage entre l’hétérogénéité du milieu poreux et l’instabilité hydrodynamique, en présence d’hétérogénéités de perméabilité et/ou du coefficient de diffusion thermique local.

Les coefficients de transports effectifs obtenus à grande échelle seront caractérisés, ainsi que les effets de localisation importants de l’écoulement induits par l’instabilité, susceptible d’avoir une grande importance pour la mise en place de transformations géochimiques.

Encadrement par une équipe mixte de deux physiciens (Benoît Nœtinger, directeur ; Frédéric Douarche, promoteur) et un mathématicien (Benjamin Braconnier, copromoteur), spécialisés dans les problèmes d’écoulement, de transport et de transferts en milieu poreux.

Il sera également possible d’interagir avec un chercheur académique dans le cadre d’une convention d’expertise.

Domaine de compétences

Géosciences quantitatives, physique, mathématiques appliquées, programmation, simulation numérique

Mots clefs

Géothermie, Lithium, géosciences quantitatives, physique, instabilité hydrodynamique, couplage, mathématiques appliquées, programmation, simulation numérique

Contact

Frédéric Douarche (promoteur) 
Benoît Nœtinger (directeur)
Benjamin Braconnier (copromoteur)

Localisation

IFP Energies nouvelles - Direction Sciences de la Terre et Technologies de l’Environnement
Département Physique Numérique des Milieux Poreux
1 et 4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex – France


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Frederic Douarche

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