Thèse Refroidissement Direct par Écoulements Microfluidiques Multiphasiques et Electro-Caloriques Modules H/F - Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Laboratoire de recherche : LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay
Direction de la thèse : Rachid BENNACER
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59

La fiabilité et la sécurité des batteries des véhicules électriques (VE) représentent à ce jour un frein non négligeable au développement durable de ces véhicules. Ces propriétés sont fortement liées à la température en fonctionnement des batteries, rendant ainsi leur gestion thermique un enjeu sociétal majeur. Le caractère non diélectrique intrinsèque de fluides à base d'eau est un inconvénient important pour leur utilisation dans des boucles de réfrigération en contact direct avec des composants électriques. Les fluides à base d'huiles sont diélectriques mais possèdent de mauvaises propriétés thermiques et/ou fluidiques, ce qui limite leur utilisation pour de telles applications. L'inclusion de microgouttelettes d'eau dans l'huile, plus conductrices de la chaleur, est intéressante car elle permettrait d'augmenter le transfert thermique par une augmentation de la conductivité thermique équivalente du fluide multiphasique et une diminution de la viscosité équivalente. Une autre amplification de la réfrigération consisterait à utiliser des matériaux électro-caloriques (ou magnéto-caloriques) qui présentent une variation d'entropie sous l'effet d'un champ externe électrique (ou magnétique) [1]. L'inclusion de ces matériaux dans un fluide diélectrique peut permettre d'améliorer les transferts thermiques, par l'amélioration de la conductivité thermique et/ou la mise en jeu de la chaleur latente associée aux transitions de phase. Ce projet de thèse vise à développer une nouvelle approche microfluidique multiphasique permettant une meilleure gestion de la température en fonctionnement des composants électriques et électroniques de puissance de manière générale. Il repose sur l'utilisation d'une boucle microfluidique diphasique composée d'une huile organique ou minérale (diélectrique) chargée en microgouttelettes à base d'eau et de (micro)particules d'un polymère électro-calorique tel que le PVDF. L'étude de ce type de système multiphysique (fluidique, tension de surface, interface particule-fluide, électrodynamique) est relativement complexe. Une approche expérimentale et théorique est déterminante pour étudier ces phénomènes et c'est dans ce cadre que s'inscrit ce projet. Nous proposons en particulier d'étudier les propriétés du transfert thermique de boucles multiphasiques constituées de microgouttelettes et de suspensions des particules caloriques. Il repose sur un fort savoir-faire en microfluidique, développé par les chercheurs de LuMIn (Abdel El Abed) [2-4], combiné à l'expertise des chercheurs du laboratoire SATIE dans la caractérisation électrique et thermique des matériaux caloriques [5]. Des microgouttelettes d'eau de taille monodisperse seront produites et utilisées directement pour optimiser la conductivité thermique du fluide caloporteur et pour encapsuler un nombre contrôlé de nanoparticules caloriques. Des modules microfluidiques seront réalisés pour contrôler de manière précise la taille et la composition des microgouttelettes. Ils seront couplés avec un système de détection optofluidique développé à LUMIN et permettant de caractériser en temps réel la production, la taille et la forme des microgouttes en flux avec des cadences de l'ordre de 1kHz. Cette étude comprendra aussi une partie expérimentale importante qui constitue le coeur du sujet de thèse. Il s'agira en particulier de concevoir et de mettre en place un banc d'essais permettant le contrôle de la génération et de la charge eau/huile/particules ainsi que la quantification des améliorations des échanges thermiques.

Dans ce projet, nous nous concentrerons en particulier sur l'étude du couplage entre l'écoulement microfluidique et le transport de chaleur dans un milieu diphasique en flux dans un canal microfluidique, afin d'assurer un rapport surface d'échange-volume optimal tout en minimisant la viscosité équivalente du mélange.
L'étude comprendra une partie théorique consacrée à l'analyse des propriétés du fluide diphasique et de leur influence sur ses performances thermiques en refroidissement par contact direct.
Le but de ce projet de thèse est de développer une nouvelle approche expérimentale pour le refroidissement des microsystèmes basée sur l'utilisation d'un fluide diphasique composé d'une huile fluoro-carbonée chargée en microgouttelettes aqueuses entrainées dans un écoulement microfluidique. Ce mélange diphasique garantit à la fois des propriétés diélectriques du la phase continue (huile) et des propriétés thermiques optimales grâce aux inclusions de gouttelettes d'eau.

Prédiction des valeurs théoriques de la conductivité et de la viscosité du fluide équivalent. Cette étude sera complétée par une détermination théorique du coefficient de transfert convectif équivalent et de la stabilité du système.

Ce travail de recherche se déroulera en deux parties successives, chacune impliquant le couplage d'une étude numérique et d'une étude expérimentale. La première partie visera à quantifier les propriétés thermophysiques du fluide équivalent (huile+eau) en mode statique et dynamique (sans et avec un écoulement modulé).

Physicien, ingénieur ou physico-chimiste