Thèse Dynamique de Particules dans les Écoulements Rotationnels Complexes pour des Procédés Plus Durables H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National Polytechnique de Toulouse École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Laboratoire de recherche : LGC - Laboratoire de Génie Chimique Direction de la thèse : Micheline ABBAS ORCID 0000000262870541 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Le transport et l'organisation spatiale des particules dans les écoulements rotatifs jouent un rôle important dans de nombreux processus impliquant le mélange, la dispersion, la séparation et la fabrication de matériaux particulaires. L'écoulement de Taylor-Couette offre un système bien contrôlé pour l'étude de ces processus, car il présente une riche séquence de structures d'écoulement sur une large gamme de conditions de fonctionnement. Parmi celles-ci figurent l'écoulement laminaire azimutal de Couette, les tourbillons de Taylor stables, les tourbillons ondulés et modulés, les états tourbillonnaires chaotiques et faiblement turbulents, et enfin la turbulence pleinement développée. Ces transitions peuvent fortement influencer la migration, la dispersion et l'accumulation préférentielle des particules, et offrent ainsi des possibilités de contrôler la distribution et l'organisation de la phase particulaire.

La transition des écoulements rotationnels de fluides complexes comme les suspensions n'est pas encore bien maîtrisée. L'objectif de cette thèse est de combler cette lacune en proposant une explication mécanistique de la dynamique des suspensions dans un dispositif de Taylor-Couette (espace étroit entre deux cylindres). Dans un système de Taylor-Couette contenant un fluide pur et au moins un cylindre en rotation, la progression d'un écoulement laminaire avec des lignes de courant parallèles, en passant par des régimes de tourbillons de Taylor stables ou instables, jusqu'à une turbulence pleinement développée, est contrôlée par l'interaction entre les forces d'inertie, de viscosité et celles induites par la courbure. Les particules en suspension peuvent modifier cette transition et la structure d'écoulement qui en résulte : la transition entre les régimes d'écoulement est altérée, et des régimes supplémentaires peuvent apparaître [5], en fonction de la taille et de la concentration des particules. Ce projet de thèse s'appuiera sur des simulations numériques et des expériences afin de comprendre les mécanismes influant sur la modulation de la transition entre les régimes d'écoulement et, en fin de compte, sur l'apparition de la turbulence, en lien soit avec des aspects rhéologiques, soit avec des perturbations de taille finie induites par les particules. Cette démarche permettra d'aborder un troisième aspect essentiel à une application plus large, à savoir la validation de la théorie et de la modélisation de la mécanique des fluides multiphasiques, incluant de nombreux éléments de compréhension de la rhéologie et de son couplage avec la mécanique des fluides.

The control of the transition from one regime to another is increasingly relevant to sustainable material processing. In the context of future transport, including clean propulsion, lightweight airframes, and sustainable aviation, the Taylor-Couette system provides a controlled test bed for studying the processing, dispersion, alignment, and rearrangement of particle- and fiber-like suspensions relevant to advanced lightweight and multifunctional composites. Taylor-Couette processing has been shown to improve the dispersion of carbon nanotubes in polymer composites and to influence their alignment, rearrangement, and packing density [1,2]. In decarbonized energy applications, including renewable materials and energy conversion and storage, Taylor-Couette processing has also been applied to the synthesis of battery materials. Taylor-Couette co-precipitation has been used as part of a continuous synthesis route to produce high-voltage cathode materials for lithium-ion batteries [3] and to produce nickel/cobalt/manganese hydroxide precursors used in lithium-ion battery cathodes [4]. In these reactors, operating conditions such as rotation rate and solution pH influence the particle size and tap density of the resulting material. The relationship between shear rate and particle size has also been used to develop criteria for scaling up the process [4].
Despite these promising applications, the relationship between the properties of the particulate phase and the flow regime associated with operating conditions is in general quite approximate. A better understanding of these interactions could provide a more rational basis for controlling particle transport and improving the efficiency and consistency of particulate material processing.
See the project summary Experiments of suspension flow in a Taylor-Couette system include flow state diagram and rheometric measurements as a function of the multiphase flow parameters. Numerical simulations will be based on the in-house code JADIM [developed jointly by IMFT and LGC]. The Force Coupling Method (FCM) will be used to capture the hydrodynamic interactions between the freely moving particles and the flow by including a finite size multipole force expansion in the fluid equations of motion [6]. This method has been recently extended to study the dynamics of particles transported in curved flow geometry and it can be easily adapted to non-spherical particles [7]. Robust numerical schemes, original physical modeling and high-performance computing will lead to new achievements on this important research topic in Multiphase Fluids Mechanics.

Le candidat doit avoir suivi une formation générale en ingénierie, avec une spécialisation en mécanique des fluides et en phénomènes de transport avancés. Des compétences de base en analyse numérique et en calcul (Fortran / C / Python / Matlab) seront un atout certain.
Le doctorant approfondira ses connaissances sur les écoulements multiphasiques tout en suivant notre programme spécifique destiné aux doctorants : http://masterfluidsprocesses.inp-toulouse.fr/

Application link : https://edd-projets.utoulouse.fr/