Doctorant⸱e Modélisation et optimisation multi-échelle de systèmes Solaires pour la chaleur industrielle Décarbonée par eau chaude pressurisée - DécarboSol

Unité : Centre d’Enseignement, de Recherche et d’Innovation Énergie Environnement, CERI EE

Spécialité : Mécanique des Fluides, Énergétique, Génie des Procédés

Responsable hiérarchique : Nadine LOCOGE

Responsables fonctionnels : Aimad KOULALI, Serge RUSSEIL

Nature de l’emploi : Projet de thèse de doctorat en Mécanique et Énergétique – CDD de 36 mois

Lieu de travail : IMT Nord Europe, campus Dunkerque, 60 Route du Pertuis du Môle 2, 59140 Dunkerque

Contexte générale :

École 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’École 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 XXIème 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. Son objectif est de former les ingénieurs de demain, maîtrisant à la fois les technologies numériques et les savoir-faire industriels. Idéalement située au carrefour de l’Europe, à 1 heure de Paris, 30 minutes de Bruxelles et 1H30 de Londres, IMT Nord Europe a l’ambition de devenir un acteur majeur des grandes transformations industrielles, numériques et environnementales du XXIème siècle en combinant, tant dans ses enseignements et que dans sa recherche, les sciences de l’ingénieur et les technologies du digital.

Localisée sur 3 sites d’enseignement et de recherche, à Lille, à Douai et à Dunkerque, 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 trois domaines « Systèmes Numériques », « Energie Environnement » et « Matériaux et Procédés ».

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

Le poste est à pourvoir au sein du nouveau campus de dunkerque, où IMT Nord Europe y dispose de 1435 m2 (salles de cours modulables, bureaux, halle technologique et de recherche). La centaine d’apprentis ingénieurs spécialisés en Génie Énergétique, les Enseignants-Chercheurs, les doctorants et les personnels du campus dunkerquois d’IMT Nord Europe disposent aujourd’hui d’un environnement de travail, d’étude, de recherche et d’innovation de premier plan pour accompagner les industries dans leur transition énergétique.

Projet scientifique :

Contexte :

Selon l’ADEME, la chaleur représente aujourd’hui 43 % de la consommation finale d’énergie en France, et elle demeure majoritairement produite à partir de combustibles fossiles (gaz naturel, fioul, charbon). La décarbonation de la chaleur constitue ainsi un levier central de la transition énergétique nationale. Les besoins en chaleur industrielle dans la plage de 100-200 °C atteignent 68.2 TWh/an, ce qui constitue la contribution la plus élevée parmi l’ensemble de niveau de température. Cette plage, qui apparait comme un levier stratégique de substitution des énergies fossiles, est adaptée aux technologies du solaire thermique à concentration. Les collecteurs cylindro-paraboliques, capables de produire de la chaleur à des niveaux compatibles avec les exigences des procédés industriels, constituent ainsi une solution pertinente pour contribuer à la décarbonation du secteur. 

Objectifs :

Ce projet de recherche vise à étudier et développer des solutions innovantes de production de chaleur solaire à concentration adaptées aux besoins de la chaleur industrielle, en ciblant des applications dans la plage de température 100–200 °C. L’objectif est de concevoir et d’optimiser des configurations de collecteurs cylindro-paraboliques (PTC) intégrant une approche de co-conception optique et thermofluidique, adaptées à des conditions d’irradiation solaire non idéales, caractérisées par des niveaux modérés de rayonnement direct normal (faible DNI) et une contribution significative du rayonnement diffus. Ces conditions sont représentatives d’une large partie du territoire français et de l’Europe. 

Plus concrètement, le projet a l’ambition de réduire les recours aux combustibles fossiles pour la production de la chaleur de procédés dans différents secteurs de l’industrie diffuse, tels que l’agroalimentaire, la chimie fine, la transformation des matériaux, la papeterie, le textile ou encore de l’industrie pharmaceutique. L’objectif final est de faciliter le déploiement industriel de cette technologie et de contribuer à la réduction des émissions de CO2 associées à la production de la chaleur de process. 

Activités :

L’optimisation des PTC en conditions d’irradiation réalistes nécessite une compréhension fine des phénomènes optiques et thermofluidiques couplés qui gouvernent leurs performances. Or, la géométrie optique d’un PTC conduit à une distribution azimutale non-uniforme sur le tube absorbeur, générant des gradients thermiques élevé susceptibles d’impacter l’efficacité énergétique et la tenue thermomécanique du système. De plus, dans des conditions de fonctionnement en boucle thermofluidique mettant en jeu de l’eau pressurisé à haute température en régime monophasique, les propriétés du fluide varient fortement avec la température, modifiant ainsi les mécanismes de transfert thermique et les caractéristiques de l’écoulement turbulent par rapport aux conditions standard. Cela nécessite également une analyse spécifique dans ces régimes afin de concevoir des géométries adaptées à ce type de scenario. Le projet reposera ainsi sur une modélisation numérique multi-physique avec des données d’exploitation réels.  

Une première étape consistera à mener des simulations thermofluidiques CFD (Computational Fluid Dynamics) du tube absorbeur afin de caractériser la réponse thermique et hydraulique pour différents régimes d’écoulement. Après mise en place et validation du modèle, plusieurs géométries optiques du collecteur seront considérées en imposant au tube différentes distributions de flux incident, afin d’évaluer l’influence des non-uniformités sur le comportement thermofluidique et de comparer les performances des configurations étudiées. Dans une seconde étape, une exploration paramétrique puis une optimisation multi-objectifs de la diverses géométries de tube absorbeur seront réalisées pour intensifier les transferts thermiques tout en maîtrisant les pertes hydrauliques, avec une vérification systématique du maintien d’un régime monophasique et l’exclusion des conditions favorables à l’ébullition. Enfin, une troisième étape visera à quantifier l’impact global des solutions retenues à l’échelle de l’installation avec des simulation système dynamiques, en évaluant les gains sur la chaleur utile délivrée, la consommation de pompage et le bilan environnemental sur des scénarios d’exploitation représentatifs.

Missions :

Les missions principales du doctorant(e) seront :

• Réaliser une recherche bibliographique approfondie sur la production de la chaleur industrielle pour les secteurs diffus, les PTC, les méthodes de simulation optique, les transferts thermofluidiques en régime d’eau pressurisé ainsi que les stratégies et algorithme d’optimisation.

• Réaliser des simulations de mécanique des fluides numériques – CFD - pour étudier les transferts thermiques et l’écoulement interne dans le tube absorbeur. Dans un seconde temps une approche basée sur solveur adjoint sera utilisée pour l’optimisation de la forme géométrique du tube.  

• Analyser les performances du système du point de vue énergétique et environnementale à l’échelle d’une boucle industrielle.

• Contribuer à la valorisation scientifique des travaux (publications, conférences) et aux échanges avec les partenaires.

Profil du candidat : (Prérequis/ Diplôme)

Le poste convient à un(e) candidat(e) ayant/préparant un Master2 / diplôme d’ingénieur ou équivalent en génie énergétique, mécanique des fluides, thermique, énergétique.

Les compétences attendues incluent :

• Solide base en mécanique des fluides, transfert thermique, rayonnement et en thermodynamique.

• Connaissance en simulation numérique CFD ;

• Intérêt pour les systèmes énergétiques et les technologies solaire thermiques ;

• Capacité de travailler de manière autonome ;

• Maîtrise des langues française/anglaise (minimum B2) ;  

Des connaissances autour d’un ou plusieurs logiciels suivants seront appréciées : Star CCM+ ou Ansys-Fluent, Modelica ou équivalent.

Conditions :

Le poste est à pourvoir à compter du 01/09/2026 pour une durée de 36 mois (contrat à durée déterminée CDD)

Renseignements et modalités de dépôt de candidature :

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

ü  Dr. Aimad KOULALI, Enseignant-Chercheur, IMT Nord Europe, Centre Energie Environnement, Dunkerque, France : aimad.koulali@imt-nord-europe.fr  

ü  Pr. Serge RUSSEIL, Enseignant-Chercheur, IMT Nord Europe, Centre Energie Environnement, Douai, France : serge.russeil@imt-nord-europe.fr   

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