Offre de stage : Modélisation de phénomènes de ségrégation granulaire à l'aide de chaines de Markov inhomogènes

Le mélange de poudres représente un procédé unitaire essentiel lorsque les matières premières sont manipulées sous la forme de solide divisé. Le mélange d’un principe actif minoritaire et d’un excipient dans l’industrie pharmaceutique, la confection d’une unité de combustible nucléaire recyclé à partir de grains de différentes natures, la production de mélanges secs dans l’industrie agroalimentaire sont autant d’exemples où la problématique technique du mélange de poudres est centrale. L’enjeu est non seulement l’homogénéité du mélange final qui garantit une bonne utilisation ultérieure dans la suite du procédé, mais aussi le temps de mélange qui pèse sur l’efficacité et la rentabilité du procédé dans son ensemble. A ces exigences techniques s’ajoute le phénomène de ségrégation qui s’oppose au mélange des constituants. La ségrégation se manifeste par la formation spontanée de zones riches en l’un ou l’autre des composants. Les cas de ségrégation sont très variés mais apparaissent lorsque des poudres dont les grains ont des propriétés contrastées en taille, en densité, en état ou géométrie de surface, etc. On cite généralement le cas de la remontée des blocs les plus gros vers la surface d’un écoulement granulaire lors d’une chute sur un plan incliné, ou bien la remontée des grains les plus gros vers la surface dans le cas d’un milieux granulaire dans un contenant cylindrique vibré. La modélisation stochastique d’un procédé de mélange à partir de chaînes de Markov venant décrire l’évolution de la position des grains qui forment le mélange est une approche permettant une description de l’état global du mélange à l’échelle du mélangeur, sans rentrer dans une description individuelle de chaque grain composant le milieux granulaire. Dans le cas d’un mélange de grains mécaniquement identiques dans un milieux granulaire, des processus de diffusion intergranulaire localisés sur les zones de cisaillement lorsque le milieux est mis en écoulement expliquent le mélange. Le découpage géométrique de l’écoulement en différentes zones permet de modéliser cette diffusion à l’aide de taux de transition d’une chaîne de Markov homogène, c’est à dire dont les paramètres sont constants. Dans le cas du mélange de grains présentant de forts contrastes de propriétés mécaniques ou géométriques, la modélisation stochastique de la dynamique du mélange repose sur des taux de transition qui dépendent de l’état du mélange. L’usage d’une chaîne de Markov non-homogène devient alors nécessaire.

L’ambition de ce stage de M2 sera de s’appuyer sur des résultats numériques de simulation DEM de différents mélanges de grains afin de proposer un modèle stochastique capable de reproduire les effets de la ségrégation. Ce travail viendra compléter une thèse qui a permis de confirmer que la connaissance de la position individuelle de chaque grains composant un mélange granulaire obtenue à l’aide d’une simulation DEM sur un temps fini permet une prédiction efficace de son évolution ultérieure par une chaîne de Markov. Les pistes de modélisation qui seront explorées au cours de ce stage permettront d’étendre ces résultats au cas de la ségrégation.

Pourquoi choisir ce stage ?

✅ La simulation des procédés granulaires est en enjeu important pour le développement de jumeaux numériques des procédés dans de nombreux secteurs industriels comme la pharmacie ou l’agroalimentaire, mais aussi dans les domaines du génie civil, de l’énergie ou de la fabrication des matériaux.

✅ La méthode de modélisation des écoulements granulaires proposée vous permettra en outre de développer des connaissances fondamentales dans l’écoulement et le mélange des milieux granulaires.

👉 Il s’agit ainsi d’un travail à fort intérêt industriel et académique, que vous pourrez aisément valoriser en tant qu’ingénieur dans l’industrie ou pour poursuivre votre parcours par un doctorat dans le domaine des milieux granulaires.

📅 Dates :

6 mois à compter du premier semestre 2026 (date à préciser en fonction de votre formation)

📍Encadrement et lieu du stage :

Ce stage sera co-supervisé par des équipes de chercheur du centre RAPSODEE à IMT Mines Albi (Henri Berthiaux, Cendrine Gatumel) et du centre SPIN de IMT Mines Saint-Etienne (Guillaume Dumazer, Eric Serris). Il pourra se dérouler dans l’un ou l’autre des deux laboratoires en fonction de vos possibilités.

@ Contacts :

Cendrine Gatumel, IMT Mines Albi

gatumel@mines-albi.fr

Guillaume Dumazer, IMT Mines Saint-Etienne

guillaume.dumazer@emse.fr