Title: High performance calculation for finite elements numerical simulation of the high temperature thermofluidic transport in a porous ceramic
Date: 2020-06-03 08:30
Slug: job_32f4a393f917ca6cc51f743f1cfb135a
Category: job
Authors: Benoit Rousseau
Email: benoit.rousseau@univ-nantes.fr
Job_Type: Post-doctorat
Tags: postdoc
Template: job_offer
Job_Location: Rueil-Malmaison
Job_Duration: 12 months
Job_Website:
Job_Employer: IFPEN
Expiration_Date: 2020-08-28
Attachment: job_32f4a393f917ca6cc51f743f1cfb135a_attachment.pdf
“High performance calculation for finite elements numerical simulation of the high temperature thermofluidic transport in a porous ceramic”
Industrial & Scientific Context
This postdoctoral contract proposal is part of the FaTHerCaSe collaborative project on the numerical simulation of the thermo-poro-mechanical behavior of ceramics with high porosity used for the conversion of hot fluid / thermal radiation in high temperature Energy Systems and processes. This project is part of the “Basic Science for Energy” program of the National Alliance for Coordination of Research for Energy (ANCRE) and is based on a collaboration between two CNRS laboratories located on the university campus of Nantes, LTeN (UMR CNRS 6607) and GEM (UMR CNRS 6183) and the Applied Physico-Chemistry and Mechanics Department of IFPEN (Rueil-Malmaison).
In a global context marked by an almost doubling of primary energy consumption by 2050 and the fight against global warming attributed to greenhouse gases mainly of fossil origin, current efforts are directed towards the development of sources carbon-free energy as well as towards a more rational management of the energy necessary for human activities. This energy transition leads to the development of appropriate technologies often involving heat exchangers between a hot source and a functionalized solid system. In the area of high temperatures (T> 1000 ° C), this imperative explains the renewed interest in the design of heat exchangers that are always more compact, light and efficient, used for the conversion or generation of radiative energy. A specificity of high temperatures is to have to take into account complex and coupled physical phenomena [1] (conductive and radiative transfers, fluidic transport if necessary multi-phase with flow regimes which can be turbulent [2]), making any approach complex optimization.
[1] Pelanconi M, Barbato M, Zavattoni S, Vignoles GL, Ortona A, Thermal design, optimization and additive manufacturing of ceramic regular structures to maximize the radiative heat transfer, Material&Design, 2019:163:107539
[2] Wu Z, Caliot C, Flamant G, Wang Z, Numerical simulation of convective heat transfer between air flow and ceramic foams to optimize volumetric solar air receiver performances, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011:54:1527-1537
Objectives
The project aims to combine advanced numerical methods (vectorial finite elements [3], multi-grid method [4]), developed for intensive computing, and 3D imaging in order to define the thermal conditions causing ceramic damage of refractory cells in real conditions of use (air flow, T = 1000 ° C). Because of their textural specificities, these ceramics have great potential for designing heat exchangers with high energy efficiency, compactness and lightness. On the other hand, given the multi-physical nature of energy exchanges dominated by radiative transfers and their multi-scale textures, conditioned here by the process of development, only post-mortem experimental approaches make it possible to define approximate thresholds preserving initial mechanical performance, far from the hourly standards required to allow massive industrial deployment. To meet this requirement, it is necessary to lay the foundations of a predictive, reliable and rough approach, linking thermal load and local crack propagation.
The first part of the postdoctoral work will be bibliographic and will consist of a review of works relating to the implementation of thermal shocks at high temperatures [4, 5] both in terms of experimental evidence and behavioral interpretations based on modeling approaches (multi-scale model [5]). A cellular ceramic geometry will be defined (textural characterization, level of voxelization, fineness of the mesh) via the genMat software (C ++, Qt) as well as the experimental conditions of thermal stress (thermal cycles, incident fluxes, thermal gradients, etc.) and d flow of fluids (pressure, speed).
The second and most important part will consist in the development of a 3D finite element numerical solver in the FreeFem ++ environment allowing to solve the generalized heat equation (taking into account the integro-differential equation of radiative transfer) and the Navier-Stokes equations [6]. The calculations will be made at the pore scale for large 3D images (10^9 voxels) allowing access, moreover, to Representative Elementary Volumes restoring the underlying physics. This work will be based on LTeN's know-how in the development of parallelized finite element solvers [3] (management of boundary conditions, vectorial finite elements, preconditioning, domain decomposition, post-processing). In terms of heat transfers, this deterministic approach, which will be implemented, can be compared to probabilistic approaches developed by teams from the French CNRS research network TAMARYS. At the level of thermofluidic calculations, the validation will be done on simple geometries (channel, stacking of Kelvin cells [2]) and could be the subject of an inter-comparison with the YALES2 code of CORIA.
The temperature fields then obtained will be used by the GeM team associated with the project, in order to perform cracking calculations under thermal stress on the defined geometry using a multigrid method developed within this laboratory [7].
[3] Badri M, Jolivet P, Rousseau B, Favennec Y. High performance computation of radiative transfer equation using the finite element method. Journal of Computational Physics. 2018;360:74-92.
[4] Oliveira FAC, Fernandes JC, Galindo J, Rodríguez J, Canãdas I, Rosa LG. Thermal resistance of solar volumetric absorbers made of mullite, brown alumina and ceria foams under concentrated solar radiation. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2019;194:121-9.
[5] Li Z, Wang BL, Wang KF, Zheng L. A multi-scale model for predicting the thermal shock resistance of porous ceramics with temperature-dependent material properties. Journal of the European Ceramic Society. 2019;39:2720-30.
[6] Rouizi Y, Favennec Y, Ventura J, Petit D. Numerical model reduction of 2D steady incompressible laminar flows: Application on the flow over a backward-facing step. Journal of Computational Physics. 2009;228:2239-55.
[7] Liu X, Réthoré J, Baietto MC, Sainsot P, Lubrecht AA, An efficient strategy for large scale 3D simulation of heterogeneous materials to predict effective thermal conductivity, Computational Materials Science, 2019:166:265-275.
Candidate profile
The candidate must have defended a doctoral thesis in fluid mechanics and / or thermal with pronounced taste for scientific calculation (domain decomposition, parallelization, mesh management, post-processing) A solid knowledge in programming (Python, C ++) is expected. Experience with Freefem ++ will be appreciated.
Location
IFP Energies nouvelles-Applied Physico-chemistry and Mechanics Department, 1 & 4 Avenue de Bois-Préau - 92852 - Rueil-Malmaison. A specific mission of 1 month on the LTeN and GeM site, supported as part of the FaTHerCaSe collaborative project, will also be organized at the start of the contract. Start on September 1st.
Application
To apply, send to Benoit Rousseau (benoit.rousseau@univ-nantes.fr) and Laurent Cangémi (laurent.cangemi@ifpen), (title of the email "FatherCase project postdoctoral application") a detailed CV, a list of publications, a motivation letter with recommendations, and for Ph-D thesis already defended, the defense report.
“Calcul haute performance pour la simulation numérique par éléments finis du transport thermo-fluidique haute température dans une céramique poreuse”
Contexte Industriel & Scientifique
Cette proposition de contrat postdoctoral s’inscrit dans le cadre du projet collaboratif FaTHerCaSe portant sur la simulation numérique du comportement thermo-poro-mécanique des céramiques à haute porosité utilisées pour la conversion fluide chaud/rayonnement thermique dans les procédés et Systèmes Energétiques à haute température. Ce projet relève du programme « Science de Base pour l’Energie » de l’Alliance nationale de coordination de la recherche pour l’énergie (ANCRE) et s’articule autour d’une collaboration entre deux laboratoires du CNRS situés sur le pôle universitaire nantais, le LTeN (UMR CNRS 6607) et le GEM (UMR CNRS 6183) et la Direction Physico-chimie et Mécanique appliquées de l’IFPEN (Rueil-Malmaison).
Dans un contexte mondial marqué par un quasi doublement de la consommation d’énergie primaire d’ici 2050 et la lutte contre le réchauffement climatique imputé aux gaz à effet de serre majoritairement d’origine fossile, les efforts actuels sont orientés vers le développement de sources énergétiques décarbonées ainsi que vers une gestion plus rationnelle de l’énergie nécessaire aux activités humaines. Cette transition énergétique passe par la mise au point de technologies appropriées faisant souvent intervenir des échangeurs thermiques entre une source chaude et un système solide fonctionnalisé. Dans le domaine des hautes températures (T>1000°C), cet impératif explique ainsi le regain d’intérêt pour la conception d’échangeurs thermiques toujours plus compacts, légers et efficaces, utilisés pour la conversion ou la génération d’énergie radiative. Une spécificité des hautes températures est de devoir tenir compte de phénomènes physiques complexes et couplés [1] (transferts conductifs et radiatifs, transport fluidique le cas échéant multi-phasique avec des régimes d’écoulement pouvant être turbulents [2]), rendant toute démarche d’optimisation complexe.
[1] Pelanconi M, Barbato M, Zavattoni S, Vignoles GL, Ortona A, Thermal design, optimization and additive manufacturing of ceramic regular structures to maximize the radiative heat transfer, Material&Design, 2019:163:107539
[2] Wu Z, Caliot C, Flamant G, Wang Z, Numerical simulation of convective heat transfer between air flow and ceramic foams to optimize volumetric solar air receiver performances, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011:54:1527-1537
Objectifs
Le projet vise à combiner méthodes numériques avancées (éléments finis vectoriels [3], méthode multi-grille [4]), développées pour le calcul intensif, et imagerie 3D afin de définir les conditions thermiques à l’origine de l’endommagement de céramiques cellulaires réfractaires en conditions réelles d’usage (écoulement d’air, T = 1000°C). En raison de leurs spécificités texturales, ces céramiques possèdent un fort potentiel pour concevoir des échangeurs thermiques à haute efficacité énergétique, compacts et légers. En revanche, eu égard à la nature multi-physique des échanges énergétiques dominés par les transferts radiatifs et à leurs textures multi-échelles, conditionnées ici par le procédé d’élaboration, seules des approches expérimentales post-mortem permettent de définir des seuils approximatifs préservant les performances mécaniques initiales, et ce loin des standards horaires requis pour permettre un déploiement industriel massif. Pour répondre à cette exigence, il est nécessaire de jeter les bases d’une démarche prédictive, fiable et rouste, liant charge thermique et propagation locale des fissures.
La première partie du travail postdoctoral sera bibliographique et consistera à un recensement des travaux portant sur la mise en œuvre de chocs thermiques à hautes températures [4, 5] tant au niveau des mises en évidence expérimentales que des interprétations de comportement basées sur des approches de modélisation (modèle multi-échelle [5]). Une géométrie de céramique cellulaire sera définie (caractérisation texturale, niveau de voxelisation, finesse du maillage) via le logiciel genMat (C++, Qt) ainsi que les conditions expérimentales de stress thermique (cycles thermiques, flux incidents, gradients thermiques,…) et d’écoulement des fluides (pression, vitesse).
La seconde partie et la plus importante consistera en la mise au point d’un solveur numérique élément fini 3D dans l’environnement FreeFem++ permettant de résoudre l’équation généralisée de la chaleur (tenant compte de l’équation du transfert radiatif de nature intégro-différentielle) et les équations de Navier-Stokes [6]. Les calculs s’effectueront à l’échelle du pore pour des images 3D de grandes dimensions (10^9 voxels) permettant d’avoir accès, par ailleurs, aux Volumes Elementaires Représentatifs restituant la physique sous-jacente. Ce travail s’appuiera sur le savoir-faire du LTeN en développement de solveurs élément fini parallélisés [3] (gestion des conditions à la limite, éléments finis vectoriels, pré-conditionnement, décomposition de domaine, post-processing). Au niveau des transferts thermiques, l’approche déterministe, qui sera mise en œuvre, pourra être comparée à des approches probabilistes développées par des équipes du GDR 2047 TAMARYS. Au niveau des calculs thermo-fluidiques, la validation se fera sur des géométries simples (canal, empilement axial de cellules de Kelvin [2]) et pourra faire l’objet d’une inter-comparaison avec le code YALES2 du CORIA.
Les champs de température alors obtenus seront ensuite utilisés par l’équipe du GeM associée au projet, afin d’effectuer sur la géométrie définie des calculs de fissuration sous sollicitation thermique en utilisant une méthode multigrille développées au sein de ce laboratoire [7].
[3] Badri M, Jolivet P, Rousseau B, Favennec Y. High performance computation of radiative transfer equation using the finite element method. Journal of Computational Physics. 2018;360:74-92.
[4] Oliveira FAC, Fernandes JC, Galindo J, Rodríguez J, Canãdas I, Rosa LG. Thermal resistance of solar volumetric absorbers made of mullite, brown alumina and ceria foams under concentrated solar radiation. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2019;194:121-9.
[5] Li Z, Wang BL, Wang KF, Zheng L. A multi-scale model for predicting the thermal shock resistance of porous ceramics with temperature-dependent material properties. Journal of the European Ceramic Society. 2019;39:2720-30.
[6] Rouizi Y, Favennec Y, Ventura J, Petit D. Numerical model reduction of 2D steady incompressible laminar flows: Application on the flow over a backward-facing step. Journal of Computational Physics. 2009;228:2239-55.
[7] Liu X, Réthoré J, Baietto MC, Sainsot P, Lubrecht AA, An efficient strategy for large scale 3D simulation of heterogeneous materials to predict effective thermal conductivity, Computational Materials Science, 2019:166:265-275.
Profil du Candidat
Le candidat devra avoir soutenu une thèse de doctorat en mécanique des fluides et/ou thermique avec gout prononcé pour le calcul scientifique (décomposition de domaine, parallélisation, gestion des maillages, post-processing) Une solide connaissance en programmation (Python, C++) est attendue. Une expérience avec Freefem ++ sera appréciée.
Localisation
IFP Energies nouvelles-Direction Physico-chimie et Mécanique appliquées.
1 & 4 Avenue de Bois-Préau - 92852 - Rueil-Malmaison.
Une mission spécifique de 1 mois sur le site de LTeN et du GeM, prises en charge dans le cadre du projet collaboratif FaTHerCaSe, sera également organisée en début de contrat. Date de début au 1er septembre.
*Candidature *
Pour postuler, envoyez à Benoit Rousseau (benoit.rousseau@univ-nantes.fr) et Laurent Cangémi (laurent.cangemi@ifpen), (titre de l'e-mail "Candidature au post-doctorat, projet FatherCase"), un CV détaillé, une liste de publications, une lettre de motivation avec recommandations, et pour les thèses déjà soutenues, le rapport de soutenance.