Contexte et enjeux
AKRYVIA est une Jeune Entreprise Innovante qui développe une technologie brevetée de jet plasma intensifié, avec la découpe des matériaux comme première application. En parallèle de notre déploiement industriel, nous poursuivons l’étude de la phénoménologie de ces jets, intensifiés à des niveaux extrêmes de densité de puissance (10 milliards de W/m²), et apportant des gains de précision et de productivité d’un facteur 2 à 5, en rupture significative par rapport à l’état de l’art scientifique et technique. AKRYVIA est une start-up à fort potentiel de la communauté deeptech, lauréate de nombreux prix d’innovation, dont le concours I-lab, le Plan d’Investissement d’Avenir, ou le concours de start-up du World Materials Forum, et collaborant avec des industriels utilisateurs majeurs.
Ce travail de thèse s’inscrit dans une collaboration multidisciplinaire prometteuse avec co-encadrement par deux partenaires académiques incontournables dans leurs domaines respectifs qui assureront la co-direction de la thèse avec l’ambition d’une production scientifique d’excellence.
Le Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie (LAPLACE),
dirigé par Thierry LEBEY est une Unité Mixte de Recherche du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), de l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) et de l’Université Toulouse 3-Paul Sabatier (UPS). Localisé entre autres sur le campus de l’Université Paul Sabatier, le LAPLACE héberge la plus forte concentration de recherche en Génie Electrique et en Plasma de France et couvre de manière intégrée le continuum «plasma/matériaux/systèmes».
Le Laboratoire de Mécanique, Modélisation & Procédés Propres (M2P2),
dirigé par Pierre SAGAUT, est une Unité Mixte de Recherche rattachée à l’Université Aix-Marseille, à l’Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes du CNRS (INSIS) et à Centrale Marseille. Le laboratoire possède une position originale avec une recherche couvrant les domaines de la Mécanique des Fluides Numérique et du Génie des Procédés. Cette activité est menée au sein de six équipes localisées sur le Technopôle de Château-Gombert à Marseille et l’Europôle de l’Arbois à Aix en Provence.
Objectifs techniques et scientifiques
Les principes de l’intensification ayant été identifiés au cours de travaux précédents, l’objectif de la thèse est de développer une connaissance de la phénoménologie des jets plasmas intensifiés par une approche à la fois expérimentale et numérique. Une fois cette connaissance acquise et la stratégie de modélisation validée sur les données expérimentales, une étude numérique du fonctionnement du système permettra d’avancer vers la finalité industrielle de compréhension des paramètres d’opération de la torche plasma intensifiée pour en repousser les limites de densité de puissance d’un facteur 2 par rapport à la littérature scientifique historique.
Déroulé de la thèse
Après une prise en main des outils actuels sur des cas classiques et une assimilation de la problématique multiphysique à travers une étude de la littérature : écoulements compressibles avec chocs, physique des jets sous-détendus, plasmas thermiques et arc électrique (ionisation, réaction et composition, thermodynamique, coefficients de transport, rayonnement à températures jusqu’à 50 000 °C, …) méthodes numériques, la première partie du travail consistera à étudier la faisabilité de méthodes numériques hybrides, associant des solveurs hyperboliques compressibles à des méthodes implicites pour les équations plasma, permettant de traiter de manière innovante le problème de couplage fort entre l’aérodynamique compressible et les équations de la physique des plasmas (champs électrique et magnétique).
La seconde partie du travail portera sur l’utilisation de ces méthodes pour caractériser par simulation numérique la phénoménologie de l’intensification du jet plasma et de son contrôle adaptatif. Ce travail sera précédé d’une campagne d’essais de caractérisation expérimentale, sur un dispositif préexistant, permettant de produire des
données de validation sur le comportement de l’arc électrique sous intensification extrême. Les problématiques scientifiques abordées porteront sur l’étude de l’équilibre entre les effets thermiques et dynamiques sur l’intensification, le rôle de la turbulence et la caractérisation des phénomènes éventuels de re-laminarisation, l’influence du nombre de swirl,…
Enfin, le doctorant pourra être amené à proposer des approches exploratoires (numériques ou expérimentales), d’étude de géométries et de domaines de fonctionnement au-delà des limites connues de la densité de puissance du procédé, approches formulées sur la base d’une démarche d’innovation par la connaissance permise par les compétences et les méthodes développées lors des phases précédentes.
Profils, capacités et connaissances recherchées
• Ingénieur(e) ou Master Recherche en Mécanique des Fluides, énergétique et thermique, plasmas et procédés, …
• Appétence et compétences en mécanique des fluides numérique et procédés multi-physiques,
• Curiosité, sens physique et pratique, rigueur scientifique et rédactionnelle, capacités d’analyse et de synthèse, autonomie dans la recherche de solutions à des problèmes complexes,
• Prêt pour le développement informatique en environnement calcul scientifique. Formation initiale et expérience antérieure (stage) appréciée en mise en oeuvre d’outils CFD volumes finis avec un objectif de développement/validation de méthodes/modèles.
Les candidats souhaitant évoluer dans un environnement alliant à la fois excellence scientifique et agilité de start-up, ainsi que ceux recherchant l’opportunité de vivre directement la mise en oeuvre technologique du fruit de leur travail de recherche seront particulièrement récompensés par ce sujet, son contexte et son encadrement.
