Unité : CERI Energie et Environnement

Responsable hiérarchique : Directeur du CERI Energie Environnement

Nature de l’emploi : Contrat Doctoral, Contrat de travail à durée déterminée, 36 mois

Lieu de travail : Site de Douai, Lahure

Contexte :

Ecole sous tutelle du ministère de l’économie, des finances et de la souveraineté industrielle et numérique, IMT Nord Europe est née en 2017 de la fusion de Télécom Lille et de l’Ecole des Mines de Douai. Elle compte aujourd’hui parmi les plus Grandes écoles d’ingénieurs au Nord de Paris avec plus 2200 élèves, dont un quart d’apprentis, plus de 600 diplômés par an et un réseau de 15 000 diplômés. Elle fait partie de l’Institut Mines Télécom, premier groupe public de Grandes écoles d’ingénieurs et de management de France, et est partenaire de l’université de Lille. IMT Nord Europe a 3 missions principales : former des ingénieurs responsables aptes à résoudre les grandes problématiques du XXI^e siècle ; mener des recherches débouchant sur des innovations à haute valeur ajoutée ; soutenir le développement des territoires notamment en facilitant l’innovation et les créations d’entreprises. Parfaitement localisée au carrefour de l’Europe, entre Paris (1h), Londres (1h30), Bruxelles (1h30) et Amsterdam (3h30), IMT Nord Europe - grande école d’ingénieurs et centre de recherche - est au cœur des grandes transformations écologiques, énergétiques, industrielles et numériques.

Localisée sur 2 sites principaux d’enseignement et de recherche, à Lille et à Douai, IMT Nord Europe s’appuie sur plus de 20 000 m² de laboratoire pour développer un enseignement de haut niveau et une recherche d’excellence dans les domaines suivants :

• Systèmes Numériques

• Energie Environnement

• Matériaux et Procédés

Pour plus de détails, consulter le site internet de l’Ecole : www.imt-nord-europe.fr

La personne recrutée intégrera l’équipe « Efficacité Energétique des Composants, Systèmes et Procédés » (ECSP) du CERI Energie Environnement. Les recherches y sont menées dans les domaines de l’intensification des transferts dans les échangeurs thermiques et les échangeurs-réacteurs multifonctionnels, mais aussi plus largement les systèmes et les procédés. Les applications concernent les domaines de l’énergétique et du génie des procédés mettant en œuvre des fluides et des matériaux plus ou moins complexes. Quasi-systématiquement les approches numériques et expérimentales sont mises en œuvre en parallèle, en s’appuyant sur le développement interne des méthodologies et outils adéquats. Les objectifs poursuivis sont de caractériser finement les phénomènes fluidiques, thermiques, et de mélange, afin d’analyser les mécanismes physiques mis en jeu dans des configurations et systèmes qui peuvent se révéler complexes. En particulier, ce projet de thèse sera rattaché au groupe thématiques Fluides et Composants et au laboratoire Fluides Complexes de l’équipe de recherche, qui développent des activités de recherche autour des phénomènes fluidiques et de l’intensification dans les fluides et écoulements complexes (suspensions, bio-fluides, boues de méthanisation, intensification acoustique, instabilités et chaos…).

Le doctorat s’inscrit dans le cadre d’un projet financé par l’agence nationale de la recherche (ANR JCJC IFROG) impliquant des collaborations nationales et internationales avec des théoriciens, numériciens, et experts en bioprocédés. Le travail de recherche sera effectué en synergie avec une thèse en cours, des stagiaires de Master, et un post-doctorant. La candidate / le candidat sera affiliée / affilié à l’école doctorale ENGSYS (Université de Lille). ENGSYS et l’IMT proposent un large catalogue de formations disciplinaires et transversales (https://edengsys.univ-lille.fr/), et il sera possible de s’impliquer dans des activités d’enseignement et de vulgarisation, notamment à IMT Nord Europe. La collaboration avec des partenaires internationaux dans le cadre du projet permet d’envisager la possibilité d’une mobilité à l’étranger durant la thèse.

Contexte scientifique de l’étude :

A l’heure de l’urgence pour une transition écologique et énergétique, le développement de technologies innovantes combinant séquestration de gaz à effet de serre et production de bio-produits pour des applications dans les secteurs de l’industrie pharmaceutique ou de l’alimentation présente un fort potentiel en termes d’économie circulaire. Dans nombre de ces bio-procédés, tels que la production de molécules à haute valeur ajoutée à partir de micro-organismes (micro-algues, fermentation…), on retrouve des fluides aux propriétés complexes, de par leur nature biologique, induisant des rhéologies non-Newtoniennes et évolutives. L’efficacité de la production de ces micro-organismes (et donc des molécules) dépend en grande partie de la capacité du milieu fluide à absorber et mélanger les constituants nécessaires à leur croissance. Maîtriser l’intensification de tels procédés de culture est toutefois extrêmement délicat car i) une agitation est à la fois requise, mais peut également endommager les micro-organismes les plus sensibles, altérant ainsi le rendement et la qualité de la production [1], ii) les performances en termes de mélange sont dépendants de la rhéologie du fluide, qui peut elle-même évoluer au cours du processus de culture. Ainsi, des stratégies innovantes pour assurer un mélange efficace à basse contrainte de cisaillement imposé, adaptables aux rhéologies complexes, doivent être trouvées.

Occasionnellement utilisées comme cellules de mise en suspension [2], les expériences de grille oscillantes restent avant tout un terrain de jeu usuel pour l’étude de la turbulence à bas taux de cisaillement, et de l’interaction de la turbulence avec d’autres phénomènes physiques [3]–[5] notamment le développement de micro-organismes [6], [7]. Le mouvement oscillant de la (ou des) grilles(s) permet une production de turbulence à taux de cisaillement moyen relativement faible (par rapport aux cuves agitées ou grilles fixes), en faisant un candidat intéressant pour l’intensification du mélange dans de tels bio-procédés. Néanmoins, l’application de la turbulence de grille oscillante dans des fluides non-Newtoniens est associée à de nombreuses questions avec encore peu de réponses au regard des mécanismes de génération de l’écoulement, de la turbulence, et des propriétés de cette dernière [4], [8].

De plus, un challenge de ces dispositifs est de parvenir à améliorer l’intensité de la turbulence et la séparation des échelles, et ainsi le mélange, tout en conservant un bas taux de cisaillement moyen. Dans ce but, on se propose d’utiliser des grilles de géométries fractales, dont il est attendu qu’elles permettent de produire une turbulence plus isotrope et développée que les géométries cartésiennes classiques à taux de cisaillement équivalent, tel qu’il a pu être montré avec l’utilisation de ces grilles en soufflerie. Les géométries fractales n’ont jamais été appliquées à ce jour dans des systèmes oscillants, en fluide Newtonien et à plus forte raison en fluide non-Newtonien, et ce malgré ce fort potentiel. C’est l’objectif de ce projet.

Références

[1] C. Wang and C. Q. Lan, ‘Effects of shear stress on microalgae – A review’, Biotechnol. Adv., vol. 36, pp. 986–1002, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2018.03.001.

[2] M. Safari, M. Harris, and D. Deglon, ‘The effect of energy input on the flotation of a platinum ore in a pilot-scale oscillating grid flotation cell’, Miner. Eng., vol. 110, pp. 69–74, Aug. 2017, doi: 10.1016/j.mineng.2017.04.012.

[3] E. J. Hopfinger and J.-A. Toly, ‘Spatially decaying turbulence and its relation to mixing across density interfaces’, J. Fluid Mech., vol. 78, no. 01, pp. 155–175, Nov. 1976, doi: 10.1017/S0022112076002371.

[4] T. Lacassagne, S. Simoëns, M. EL Hajem, A. Lyon, and J.-Y. Champagne, ‘Oscillating grid turbulence in shear-thinning polymer solutions’, Phys. Fluids, vol. 31, no. 8, p. 083102, Aug. 2019, doi: 10.1063/1.5113551.

[5] T. Lacassagne, M. EL Hajem, J.-Y. Champagne, and S. Simoëns, ‘Turbulent mass transfer near gas-liquid interfaces in water and shear-thinning dilute polymer solution’, Int. J. Heat Mass Transf., vol. 194, p. 122975, Sep. 2022, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122975.

[6] R. N. Arnott, M. Cherif, L. D. Bryant, and D. J. Wain, ‘Artificially generated turbulence: a review of phycological nanocosm, microcosm, and mesocosm experiments’, Hydrobiologia, Jan. 2021, doi: 10.1007/s10750-020-04487-5.

[7] L. San, T. Long, and C. C. K. Liu, ‘Algal Bioproductivity in Turbulent Water: An Experimental Study’, Water, vol. 9, no. 5, p. 304, Apr. 2017, doi: 10.3390/w9050304.

[8] T. Lacassagne, A. Lyon, S. Simoëns, M. E. Hajem, and J.-Y. Champagne, ‘Flow around an oscillating grid in water and shear-thinning polymer solution at low Reynolds number’, Exp. Fluids, vol. 61, no. 1, p. 15, Dec. 2019, doi: 10.1007/s00348-019-2840-0.

Missions : La mission principale de la personne recrutée sera de contribuer à l’amélioration de la compréhension des mécanismes fondamentaux de l’écoulement, et d’étudier son utilisation dans un contexte d’intensification du mélange dans des fluides de rhéologie complexe. Pour ce faire :

• Les écoulements générés par grilles fractales oscillantes seront caractérisés au moyen de méthodes de vélocimétrie optiques avancées (Particle Image Velocimetry, Particle Tracking Velocimetry…)
• L’impact de la rhéologie complexe du fluide sera appréhendé
• Les performances en termes de mélange seront quantifiées au moyen de méthodes de fluorescence induite par laser.

Activités :

• Mener une étude et une veille bibliographique en lien avec le projet de thèse
• Participer au montage, entretien, amélioration et exploitation des installations expérimentales en lien avec le projet
• Participer à la mise en place et au développement des méthodes de mesure appropriées
• Réaliser des campagnes de mesures expérimentales pour caractériser les propriétés des écoulements considérés
• Post-traiter, analyser, et interpréter les résultats
• Synthétiser les études menées sous forme de rapports, présentations internes, communications externes…
• Participer aux activités du CERI, de l’équipe, du laboratoire, du projet IFROG
• Valoriser son travail en participant à des congrès internationaux et en rédigeant des publications scientifiques dans des revues internationales.
• Possibilité de participer aux activités d’enseignement d’IMT Nord Europe

Profil de la candidate / du candidat : (Prérequis/ Diplôme)

• Diplôme d’ingénieur ou un master 2 en mécanique des fluides
• Appétence pour le travail expérimental
• D’excellentes capacités d’analyse et de synthèse, avec un esprit critique.
• Un bon niveau en communication scientifique (écrit/oral) et notamment en anglais.

Aptitudes

• Rigueur scientifique et qualité rédactionnelle
• Communication, travail en équipe.
• Organisée / organisé, rigoureuse/rigoureux, autonome et réactive/réactif.
• Bon niveau d’anglais nécessaire pour collaboration internationale

Compétences

• Mécanique des fluides expérimentale
• Instrumentation
• Traitement d’images
• Optique

Connaissances

• Connaissances scientifiques et techniques reconnues dans le domaine de la mécanique des fluides, turbulence
• Connaissance de base des fluides complexes, rhéologie

Conditions :

Le poste est à pourvoir à compter du 01/09/2023 pour une durée de 36 mois (contrat CDD).

Renseignements et modalités de dépôt de candidature :

Pour tout renseignement sur le poste, merci de vous adresser à :

Tom LACASSAGNE, enseignant-chercheur (IMT Nord Europe), tom.lacassagne@imt-nord-europe.fr

Pour tout renseignement administratif, merci de vous adresser à la Direction des Ressources Humaines : jobs@imt-nord-europe.fr

Les postes offerts au recrutement sont ouverts à toutes et tous avec, sur demande, des aménagements pour les candidats en situation de Handicap.

Date limite de candidature : 31/05/2023