Simulation numérique de tubes à gaz pulsés spatiaux

Mission proposée

L'entreprise recherche un stagiaire de niveau Master 2 pour une durée d’au moins 5 mois.

Le Service des Basses Températures (SBT) du CEA/INAC développe une recherche à caractère principalement technologique dans une large gamme de températures depuis 120 K jusqu’à la dizaine de millikelvins. Le CETHIL (unité mixte CNRS, INSA, UCBL) est de son côté expert en simulation numérique pour des systèmes mettant en jeu des écoulements
couplés à des transferts thermiques. Au sein du SBT, l’équipe LCCS (Laboratoire de Cryoréfrigérateurs et Cryogénie Spatiale) développe des systèmes de refroidissement de petites tailles pour une gamme de température entre 50 mK et 50 K. Parmi ces cryoréfrigérateurs, le tube à gaz pulsé est un développement important au sein de l’équipe. Basé sur le cycle thermodynamique de Stirling, ils permettent d’atteindre des températures allant de 4 K à 100 K avec de l’hélium. Ils sont utilisés dans des applications d’observation de la terre (type MTG, Met-image) à des
températures de l’ordre de 50 K. Pour des missions d’observation de l’univers (ATHENA/X-IFU), un modèle opérant à 15 K a été développé et un prototype a démontré un fonctionnement à 4 K.

Au sein du CETHIL, l'équipe impliquée a une forte expertise dans la simulation numérique des transferts thermiques en milieu fluide. Elle utilise des codes CFD et a développé des codes internes de calculs dédiés à des études thermiques. L'équipe est également habituée à l'utilisation du calcul parallèle intensif.

Basée sur l’expertise des 2 laboratoires, l’objectif du projet est d’adapter nos modèles numériques de tube à gaz pulsé permettant de couvrir la gamme de fonctionnement entre 100 K – 4 K. Cela permettra d’avoir une meilleure compréhension des phénomènes en jeu et donc une amélioration plus rapide des performances. Ces modèles seront également très utiles pour le dimensionnement de machines multi-étages (Bi-étagé, PT 15 K, ...).

Actuellement, une méthode semi-analytique 1D et un code de calcul 1D ont été développés au SBT et au CETHIL. Ces outils permettent de simuler l’écoulement oscillant d’un tube à gaz pulsé sans prendre en compte les effets de gaz réel et les transferts thermiques. À partir
de ces outils existants, l’objectif sera d’adapter ces outils pour prendre en compte les effets de transferts thermiques dans un gaz réel. Les résultats numériques seront ensuite comparés aux résultats expérimentaux obtenus ces dernières années au sein du SBT.

Le stage se déroulera à Lyon au sein du laboratoire CETHIL en collaboration forte avec le SBT. Des déplacements sur Grenoble sont prévus. Le stage a pour but de conduire à une thèse CEA-CETHIL.