Research project title

Integration of Navier-Stokes equations in a 3D immersed boundary model for multiphysics simulation of high-voltage circuit breakers

Education level

Doctorate

Director/co-director

Director: Sebastien Leclaire

Co-director(s): Jean-Yves Trépanier

End of display

September 1, 2025

Areas of expertise

Energy

Mechanical engineering

Modelling, simulation and finite element methods

Secondary sphere(s) of excellence in research

Energy, Water and, Resources

Modeling and Artificial Intelligence

Unit(s) and department(s)

Department of Mechanical Engineering

Conditions

Nous recherchons un(e) candidat(e) apte à réaliser une thèse et dispose des bonnes bases scientifique et technique dans le domaine de la mécanique de fluide, avec des intérêts et, si possible, compétences dans les domaines suivants :

Champs d’intérêt et domaines d’expertise :

• Physique et Mathématiques Appliquées – Maîtrise des bases théoriques et des applications pratiques
• Dynamique des écoulements compressibles – Bonne compréhension des principes physiques et de la modélisation
• Modélisation de la turbulence – Expérience en simulation et en traitement de l’écoulement turbulent
• Méthodes Numériques – Compétences en méthodes de résolution de problèmes scientifiques et techniques
• Discrétisation des domaines (maillage) – Connaissances en génération et optimisation de maillages pour diverses configurations
• Modélisation et résolution des Équations aux Dérivées Partielles (EDP) – Pratique des méthodes numériques telles que : Méthode des Volumes Finis ou Éléments Finis

Compétences techniques et informatiques :

• Mécanique des fluides numérique (CFD) – Expérience avec des solveurs CFD et l’analyse des résultats
• Développement logiciel – Maîtrise de la programmation dans un contexte scientifique ou d’ingénierie.
• Langages compilés – Compétence en C++ ou langage équivalent orienté performance.
• Calcul haute performance (HPC) – Maîtrise de la parallélisation et de l’optimisation pour des simulations à grande échelle.

Detailed description

Contexte et enjeux

GE Vernova est une société mondiale du secteur de l’énergie, forte de plus de 130 ans d'expérience. Elle contribue activement à la transition énergétique en poursuivant l’électrification du monde tout en s’efforçant de le décarboner.

Le Centre de Recherche et Développement pour Technologie à Haute Tension de Villeurbanne est l’unique centre de recherche dédié à l’appareillage haute tension au sein de GE Vernova. Les disjoncteurs qui protègent et contrôlent les réseaux électriques d’aujourd’hui et de demain y sont conçus et testés.

Le site produit en particulier des disjoncteurs couvrant des gammes de tension allant de 245 kV à 1200 kV AC. L’objectif ultime de ces appareillages est d’éliminer les courants de défaut, de supporter les tensions de défaut et d’assurer une isolation diélectrique optimale après la coupure de l’arc électrique crée par le courant de défaut.

Outils numériques utilisés

L’optimisation du design et des performances des appareils repose à la fois sur des essais expérimentaux et sur une utilisation accrue des outils de simulation numérique.

Les outils de simulation utilisés sont développés et maintenus par GE Vernova afin d’assurer une efficacité optimale et une adaptation aux défis scientifiques posés. Ces outils simulent le fonctionnement de l’appareillage pour différents types de défauts du réseau, en modélisant un plasma d’arc électrique qui engendre des nombreux phénomènes physiques couplés : la mécanique des fluides, l’électromagnétisme, les phénomènes de transferts radiatifs, l’érosion des parois, les phénomènes d’ionisation du gaz. Ces phénomènes sont transitoires, fortement compressibles (Mach > 2) et atteignent des températures de l’ordre de 25 000 K au cœur de l’arc électrique, avec des niveaux de pression pouvant atteindre plus de 100 bars.

L’outil actuellement utilisé a été développé en partenariat avec l’École Polytechnique de Montréal (Québec) depuis près de 30 ans. Il s’agit d’un code multi-physique et multi-espèces, permettant d’étudier des géométries en situation axisymétrique, tout en prenant en compte le mouvement des pièces de l’appareillage. Cet outil, arrivé à un niveau de maturité avancé, est aujourd’hui la référence pour la conception des disjoncteurs haute tension chez GE Vernova.

Développements requis

L’évolution des appareillages est fortement liée aux nouveaux besoins des réseaux électriques, adressant des niveaux de performance de plus en plus élevés. Il est donc nécessaire de pousser l’optimisation des designs et améliorer les critères d’extinction de l’arc électrique. En conséquence, les approches 3D en simulation numérique deviennent incontournables.

Pour répondre à ces nouvelles contraintes, GE Vernova a choisi de développer une approche 3D basée sur la méthodologie frontière immergée sur maillage cartésien. Au cours de dernières années, deux thèses ont été menées sur ce sujet afin de valider l’approche proposée dans les applications en 2D et 3D, non-visqueuses et sans prise en compte de la présence de l’arc électrique. Ces études ont permis de valider la convergence et la stabilité du modèle et d’étudier l’impact de l’ordre des approximations numériques.

Ces travaux ont notamment permis de réduire la viscosité numérique permettant d’étudier l’apparition des instabilités tridimensionnelles de l’arc électrique menant à son extinction.

L’objectif de cette nouvelle thèse est d’étendre l’approche 3D en intégrant les phénomènes de diffusion, via l’implémentation des équations de Navier-Stokes en gaz parfait, en situation 3D et sans prise en compte de la présence de l’arc électrique. Une attention particulière devra être portée sur la gestion du maillage et du traitement de la couche limite en paroi mobile ainsi que l’adoption d’un schéma implicite ou explicite. L’intégration d’un premier modèle de turbulence sera à envisager.

Afin de faciliter et d’optimiser l’intégration des développements dans l’environnement GE Vernova, il sera nécessaire d’établir un environnement de développement adapté.

Présentation établissement d'accueil

La thèse se fera au sein du département Génie Mécanique de l’Ecole Polytechnique de Montréal à la ville de Montréal, Québec – Canada (cf. lien). Ce travail de thèse se fera pour le compte et avec le suivi en codirection du Centre de Recherche pour Technologie à Haute Tension de GE Vernova localisé à la ville de Villeurbanne, France.

L’affichage se terminera plus tôt si le poste est pourvu. Si vous avez un intérêt ou désirez plus d'information, vous pouvez communiquer avec nous afin de vous informer à savoir si le poste est pourvu ou non avant de postuler:

EPM

Prof. Sébastien LECLAIRE, Ph.D.

Département de génie mécanique

Tél. : (514) 340-4711, poste 4400

s.leclaire@polymtl.ca

GE Vernova

Renan DE HOLANDA SOUSA, Ph.D.

Multiphysics Simulation Software Engineer

High Voltage Research Center – Circuit Breaker & Bay Development Grid Solutions

21 Rue Cyprian | 69100 Villeurbanne, France

+33 (0)3 20 62 57 91

Philippe ROBIN-JOUAN, Ph.D.

Fellow Expert for Scientific Simulations

Scientific & Technical Computing Group - High Voltage Research Center

21 Rue Cyprian | 69100 Villeurbanne, France

+33 (0)6 80 87 49 04

Financing possibility

Ce projet est financé par GE Vernova.