Thèse Modélisation et Simulation d'Un Procédé de Projection Plasma de Suspension Interaction du Jet de Plasma Turbulent avec le Substrat et Traitement de la Suspension H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Limoges École doctorale : Sciences et Ingénierie Laboratoire de recherche : Institut de Recherche sur les Céramiques Direction de la thèse : GILLES MARIAUX ORCID 0000000286350671 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-08T23:59:59 La projection plasma de suspension permet d'obtenir des revêtements avec des microstructures fines et variées répondant à des applications exigeantes qui émergent au niveau industriel comme par exemple, des barrières thermiques de nouvelle génération pour l'aéronautique. Dans ce procédé, la suspension liquide contenant les particules submicroniques du matériau à déposer est injectée dans un jet de plasma thermique pour être fragmentée, évaporée libérant des particules submicroniques individuelles ou agglomérées qui sont alors accélérées et fondues et vont impacter et s'étaler sur la pièce à revêtir pour former le dépôt. La maitrise du procédé nécessite la compréhension des mécanismes complexes et interdépendants qui régissent le traitement de la suspension et la construction du revêtement.

Cette compréhension passe par la simulation du procédé en fonction de ses paramètres opératoires par un jumeau numérique, depuis la génération du jet de plasma jusqu'à la construction du dépôt. Les laboratoires IRCER et TREFLE de l'I2M se sont associés pour faire avancer cette problématique qui intéresse fortement la société Safran, leader international pour la réalisation de dépôts sur pièces aéronautiques. Ces travaux de modélisation sur la formation du jet de plasma, son développement turbulent, le traitement de la suspension et la construction du dépôt ont donné lieu à un premier projet et qui se poursuit avec le support de Safran et de la région Nouvelle-Aquitaine.

Le travail de ce doctorat consistera à poursuivre la modélisation du développement du jet de plasma turbulent instationnaire (LES/U-RANS) en présence d'un substrat mobile avec le Code de CFD Ansys\_Fluent, à optimiser les méthodes numériques pour augmenter la robustesse des simulations et diminuer leur durée, et à modéliser l'atomisation puis la fragmentation secondaire du jet de suspension et son traitement physique en interaction avec un autre doctorant du projet.
La projection plasma de suspension permet d'obtenir des revêtements avec des microstructures fines et variées (colonnaires, denses, ...) répondant aux exigences d'applications qui émergent au niveau industriel comme par exemple, des barrières thermiques de nouvelle génération pour l'aéronautiques ou des électrolytes solides de piles à combustibles.
Dans ce procédé, la suspension liquide contenant les particules submicroniques du matériau à déposer est injectée dans un jet de plasma thermique pour être fragmentée et évaporée, libérant les particules submicroniques individuelles ou agglomérées qui sont alors accélérées et fondues et vont impacter et s'étaler sur la pièce à revêtir pour former un dépôt. Sa microstructure, et donc ses propriétés d'usage, dépendent d'un grand nombre de paramètres opératoires relatifs à la torche plasma, à la suspension, au substrat et à la cinématique torche-substrat. Aussi, la complexité de ce procédé impose-t-elle de nombreux tests pour réaliser un revêtement à propriétés contrôlées sur une pièce de forme complexe, ce qui freine son adoption par les industriels. La maitrise du procédé nécessite la compréhension des mécanismes complexes et interdépendants qui régissent le traitement de la suspension et la construction du revêtement. Cette compréhension passe par la simulation du procédé par un jumeau numérique incluant la génération du jet de plasma par une approche MagnétoHydoDynamique (MHD) (1), le développement turbulent du jet avec l'injection et la fragmentation hydrodynamique de la suspension (2), le traitement des gouttes de suspension par le plasma (3), l'impact des particules fondues sur le substrat et la construction du dépôt (4) en fonction de ses paramètres opératoires.

L'étude proposée s'inscrit dans le projet Azurite cofinancé par la région, l'IRCER et Safran. Ce projet de jumeau numérique est porté par l'IRCER, l'Institut de Mécanique et d'Ingénierie (I2M) de Bordeaux, la société Safran (2ème équipementier aéronautique, leader pour la réalisation de dépôts sur pièces aéronautique). Cette étude consiste à poursuivre les travaux de modélisation débutés dans le cadre d'un précédent projet et qui a permis de poser les bases des modèles (1 à 4) et de développer en particulier le modèle n°2, pour lequel la modélisation de l'écoulement libre turbulent par une approche LES et son chainage avec le modèle 1 a été bien avancée.
L'objectif ultime de ce travail de thèse est de développer un modèle robuste et prédictif implémenté dans le code de CFD Ansys\_Fluent, permettant de simuler le traitement de la suspension dans le jet de plasma en interaction avec un substrat mobile (2). Cet objectif passe par les sous-objectifs suivants :
- Simuler de façon prédictive le développement du jet de plasma turbulent en interaction cinématique et thermique avec un substrat mobile -> champs d'écoulement
- Simuler l'atomisation et la fragmentation secondaire de la suspension lors de son interaction avec l'écoulement de plasma -> distribution en tailles, positions, vitesses et trajectoires des gouttes
- Simuler le traitement physique d'un nombre important de gouttes dans les champs instationnaires simulés d'écoulement de plasma : i) d'abord par une approche simplifiée (approche multi-composante) ii) par intégration du modèle prédictif développé par un autre doctorant du projet au fur et à mesure de son développement -> distribution en taille, position, vitesse et température des particules juste avant impact afin d'alimenter le modèle de construction du dépôt
La méthodologie de l'étude correspondra aux objectifs successifs définis précédemment en interactions avec les avancées réalisées par les post-doctorant/doctorant responsables des modèles 1 et 3 notamment et en prenant soin à chaque étape de valider les calculs par des mesures (PIV, collecte de matériaux en vol ... etc.) réalisées en collaborations avec les expérimentateurs de l'IRCER.
En parallèle, un travail devra être fait sur l'initialisation des calculs et l'optimisation des méthodes numériques pour faciliter et accélérer la convergence et le chainage/couplage entre modèles ainsi que pour réduire les couts CPU (U-RANS vs LES ?)

Profil : CFD, ingénierie mathématiques, ingénierie modélisation

Connaissances et première expérience indispensable en modélisation, méthodes numériques, programmation et physique, bon sens physique, capacité à communiquer avec les partenaires.

Activités/Compétences:
- Développer un modèle CFD, implémenter le modèle 3 avec les schémas numériques adaptés dans l'environnement du code Ansys\_Fluent par des fonctions utilisateurs, réaliser des maillages avec Icem et gérer de maillages mobiles.
- Maitriser les approches fluides diphasiques.
- Développer des programmes de traitement de données sous langage Python
- Interagir avec les chercheurs du laboratoire pour valider le modèle et avec les doctorants des étapes 1 et 3.