Date et lieu : le lundi 8 juin 2026 à 12h30 dans l’Amphithéâtre N°3, Centrale Méditerranée ; 38 rue Frédéric Joliot Curie,13013 Marseille

Résumé : L'amélioration de l'efficacité énergétique des systèmes industriels constitue un enjeu majeur de la transition énergétique. Une part importante de l'énergie primaire est dissipée sous forme de chaleur fatale, notamment à basse et moyenne température, où les solutions de valorisation restent limitées. Dans ce contexte, les cycles au dioxyde de carbone supercritique (sCO2) suscitent un intérêt croissant grâce à leur compacité, à leur potentiel de rendement élevé et aux propriétés du fluide près du point critique. Leur déploiement reste toutefois freiné par des verrous technologiques et par la difficulté de modéliser le fluide réel. Cette thèse étudie un concept innovant de compression thermiquement entraînée, appelé SHREC, développé avec le partenaire industriel CIXTEN. Contrairement aux cycles de Brayton classiques, fondés sur un compresseur mécanique alimenté électriquement, le dispositif SHREC convertit directement l'énergie thermique, idéalement issue de chaleur fatale, en travail de compression. En réduisant le recours à la compression mécanique, il vise à diminuer la consommation électrique auxiliaire et à améliorer le rendement global des cycles au sCO2. La principale difficulté scientifique réside dans la modélisation du CO2 supercritique. À proximité du point critique, de faibles variations de température ou de densité induisent de fortes non-linéarités sur la densité, la capacité calorifique, la compressibilité et les propriétés de transport. Les hypothèses de gaz parfait ou de propriétés constantes deviennent alors inadaptées. Le dispositif SHREC fonctionne en outre à faible nombre de Mach et dans des géométries complexes, ce qui impose des exigences élevées de stabilité, de conservation de masse et de cohérence thermodynamique. Pour répondre à ces enjeux, une approche de modélisation multi-échelle a été développée. À l'échelle système, un modèle thermodynamique zéro-dimensionnel (0D), fondé sur une équation d'état cubique, a été élaboré pour décrire le comportement du fluide supercritique. Il permet de prédire rapidement les performances globales et de réaliser des analyses de cycle. Des essais expérimentaux sur un prototype à échelle réduite ont permis de mesurer l'évolution de la pression, des températures, de la puissance produite, du coefficient de performance et des destructions d'exergie. Les résultats montrent que les principales irréversibilités se situent dans l'unité expanseur-compresseur et dans les échangeurs de chaleur principaux. À l'échelle locale, un cadre numérique tridimensionnel fondé sur la méthode de Boltzmann sur réseau a été développé et adapté aux fluides réels. Une formulation compressible à faible nombre de Mach a été implémentée et couplée à une équation d'état cubique pour reproduire les effets thermodynamiques supercritiques. Les géométries complexes ont été traitées par la méthode des frontières immergées. L'approche a d'abord été validée sur des jets supercritiques de la littérature, puis appliquée au dispositif SHREC pour résoudre les champs transitoires de température et de pression. La comparaison entre les simulations CFD et le modèle 0D montre que l'hypothèse d'équilibre instantané de pression entre les chambres n'est pas strictement vérifiée. Le modèle 0D ne reproduit pas les déséquilibres locaux, mais il restitue correctement la dynamique globale de compression et de détente, tandis que les simulations CFD fournissent une description détaillée des mécanismes internes d'écoulement et de transfert thermique. Ce travail montre que l'étude fiable des systèmes au sCO2 requiert une combinaison cohérente entre thermodynamique des fluides réels, modélisation réduite, simulations numériques et validation expérimentale. Il contribue au développement de technologies de compression thermiquement entraînée pour la valorisation de chaleur fatale et pose les bases de systèmes compacts pour les cycles énergétiques de nouvelle génération.

Mots clés : CO2 supercritique, Transfert thermique, Machine thermique innovante

Date et lieu : le mardi 10 mars 2026 à 14h00 dans l’Amphithéâtre du Cerege du Technopôle de l'Arbois-Méditerranée

Résumé : Cette étude examine l'effet de la géométrie sur l'efficacité énergétique des échangeurs de chaleur et des réacteurs en appliquant des méthodes de minimisation de la génération d'entropie. Dans un échangeur de chaleur / réacteur concentrique à double enveloppe, quatre diamètres sont optimisés tandis que la chaleur échangée est maintenue constante pour déterminer la longueur afin de minimiser l’irréversibilité totale. Les résultats montrent que les variations géométriques permettent de la réduire. En outre, l'étude examine également l'influence du débit du fluide sur l’irréversibilité et la géométrie optimale correspondante. Dans un réacteur à double enveloppe tubulaire, avec un avancement de réaction de sortie constante, la génération d’entropie du réacteur est minimisée en variant la géométrie du réacteur de différentes formes (cylindrique, conique, hyperbolique et sinusoïdale). Les effets du débit du fluide caloporteur et du mélange réactionnel, de la concentration, de la température des réactifs et de la chaleur de réaction sur l’irréversibilité ont également été étudiés. Une solution bidimensionnelle est utilisée pour analyser la distribution du taux de génération d'entropie à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics. En tant que grandeur associée aux flux, le taux de génération d’entropie locale est déterminé par la somme de la contribution des échanges de chaleur, des dissipations visqueuses et de la réaction chimique. Une comparaison de la distribution de cette valeur locale et des forces motrices est faite entre les géométries optimales et défavorables. Les résultats montrent que dans la configuration optimale, qui minimise la génération d'entropie totale, les distributions de force et de taux de génération d'entropie locale sont plus uniformes, ce qui va dans le sens de la théorie d’équipartition.

Mots clés : Minimisation de la génération d'entropie ; Modélisation ; Équipartition

David ZARZOSO-FERNANDEZ - Chargé de recherche - CNRS M2P2 - Directeur de thèse

Emmanuel FRéNOD - Professeur des universités  - Université Bretagne Sud - Co-directeur de thèse

Victor TRIBALDOS - Professeur des universités - Universidad Carlos III de Madrid - Rapporteur

Julien LE SOMMER - Directeur de recherche - CNRS, IGE Grenoble - Examinateur

Maxime LESUR - Professeur des universités - Université de Lorraine - Institut Jean Lamour - Rapporteur

Mitra FOULADIRAD - Professeure des universités - Centrale Méditerranée - Président

Résumé: Sous l’effet du réchauffement climatique, l’hydrogène s’impose comme une alternative prometteuse aux combustibles fossiles. Toutefois, les flammes hydrogène-air présentent de fortes instabilités, particulièrement en milieux confinés où les parois et les pertes de chaleur jouent un rôle déterminant. Cette thèse analyse la stabilité des flammes prémélangées hydrogène-air dans un brûleur de Hele-Shaw à l’aide de la méthode de Lattice-Boltzmann.

Les mécanismes d’instabilité hydrodynamique et thermodiffusive sont étudiés en 2D et 3D, avec et sans pertes thermiques aux parois. Les simulations mettent en évidence les conditions de rupture de symétrie, l’influence du nombre de Lewis, de la largeur du canal et des pertes de chaleur sur la morphologie et la vitesse de flamme. Des modèles réduits sont proposés pour prédire la forme des fronts, la formation de cuspides et l’évolution de la vitesse de flamme.

Ces résultats contribuent à une meilleure compréhension des flammes hydrogène confinées et fournissent des outils de modélisation utiles à la conception de micro-dispositifs sûrs.

Mots clés : Instabilités de combustion, Flamme laminaire, Écoulement confiné, Brûleur Hele-Shaw

Carmen JIMENEZ ; CIEMAT, Madrid ; Rapporteure

Laurent SELLE ; CNRS IMFT, Toulouse ; Rapporteur

Andrea GRUBER ; SINTEF, Trondheim ; Examinateur

Heinz PITSCH ; RWTH Aachen University, Aachen ; Examinateur

Luc VERVISCH ; INSA Rouen Normandie, Saint-Etienne-du-Rouvray ; Président de jury

Pierre BOIVIN ; CNRS M2P2 ; Directeur de thèse

Christophe ALMARCHA ; Aix-Marseille Université ; Co-Directeur de thèse

Bruno DENET ; Aix-Marseille Université ; Co-Encadrant de thèse

Date et lieu : le mardi 13 janvier à 14h00, amphi n°3 de Centrale Méditerranée

Raphaël LOUBÈRE, Rapporteur, DR CNRS, Institut de Mathématiques de Bordeaux 

Timm KRÜGER, Rapporteur, PR, University of Edinburgh                   

Gauthier WISSOCQ, Examinateur, IR, CEA CESTA                                 

Bénédicte CUENOT, Examinatrice, Senior Scientist, CERFACS                     

Vincent MOUREAU, Président du jury, DR CNRS, CORIA                                

Pierre BOIVIN, Directeur de thèse, CR CNRS, M2P2                                 

Song ZHAO, Co-encadrant de thèse, IR CNRS, M2P2