Simulation numérique multi-echelle de l'évaporation et du mouillage d'un matériau poreux de construction. Application à la limitation de l'îlot de chaleur urbain. // Numerical Mutli-scale Simulation of Evaporation and Imbibition of Building Porous Materia

La lutte contre les îlots de chaleur urbains (ICU) est un enjeu majeur dans le contexte du réchauffement climatique et de l'urbanisation croissante.
Les matériaux poreux de génie civil, comme les bétons drainants ou les revêtements perméables, peuvent jouer un rôle crucial dans ce domaine en reproduisant le comportement hygro-thermique d'un sol naturel.
En facilitant le stockage et l'évaporation de l'eau, ces matériaux contribuent à abaisser les températures ambiantes par un effet de refroidissement évaporatif (effet similaire à celui de la transpiration et parfois appelé évapo-transpiration).
Cependant, la compréhension fine des mécanismes d'évaporation et de mouillage dans ces matériaux est encore limitée, notamment en raison de la complexité de leurs structures multi-échelles.

Le projet Simulation of Water Evaporation within Artificial ground for thermo-regulation of the City (SWEAT-City), financé par l'agence nationale de la recherche, s'intéresse l'évapotranspiration des matrices poreuses cimentaires comme solution potentielle.
Ce projet est inscrit dans le Projet National (PN) Inovations et Solutions face à la Surchauffe Urbaine (ISSU) qui vise a évaluer les différentes solutions et innovations en matière de lutte contre les ICU.

Les matériaux poreux présentent une structure hétérogène organisée à plusieurs échelles : celle des pores microscopiques et celle des agrégats, où les interactions entre phases liquide, gazeuse et solide influencent les phénomènes d'évaporation et de mouillage.
Ces processus dépendent de facteurs tels que la géométrie des pores, les propriétés capillaires, la diffusion de vapeur, et la connectivité des phases liquides à travers les agrégats.
Les modèles actuels peinent à intégrer ces interactions multi-échelles de manière cohérente et prédictive, limitant la conception de nouveaux matériaux optimisés pour les ICU.
Perspectives et résultats attendus de la thèse
Cette thèse vise à développer un cadre de simulation numérique multi-échelle pour étudier et prédire les mécanismes d'évaporation et de mouillage dans les matériaux poreux de génie civil. Les objectifs spécifiques sont :
- À l'échelle du pore : modéliser les interactions capillaires et les mécanismes d'évaporation locaux, en tenant compte des phénomènes non linéaires comme les gradients de pression capillaire et la transition phase liquide-vapeur.
- À l'échelle des agrégats : analyser la dynamique de transport interconnectée des fluides entre les pores et les agrégats, en étudiant notamment la diffusion de vapeur et les effets de stockage d'eau.
- Intégration multi-échelle : combiner les modèles des deux échelles pour prédire les performances thermiques et hydriques des matériaux dans des conditions environnementales réalistes, comme celles des ICU.


Les résultats attendus permettront de mieux comprendre les interactions complexes entre mouillage, évaporation et structure multi-échelle dans les matériaux poreux.
Ils contribueront à concevoir des solutions innovantes et optimisées pour réduire les ICU, tout en améliorant les performances environnementales des infrastructures urbaines.
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Combating urban heat islands (UHI) is a major challenge in the context of global warming and increasing urbanization.
Porous civil engineering materials, such as pervious concrete or permeable pavements, can play a crucial role in this area by reproducing the hygro-thermal behavior of natural soil.
By facilitating the storage and evaporation of water, these materials help to lower ambient temperatures through an evaporative cooling effect (similar to transpiration, and sometimes referred to as evapo-transpiration).
However, detailed understanding of evaporation and wetting mechanisms in these materials is still limited, not least because of the complexity of their multi-scale structures.

The Simulation of Water Evaporation within Artificial ground for thermo-regulation of the City (SWEAT-City) project, funded by the French National Research Agency, focuses on the evapotranspiration of porous cementitious matrices as a potential solution.
This project is part of the \national projets 'Inovations et Solutions face à la Surchauffe Urbaine' (ISSU), which aims to evaluate different solutions and innovations in the fight against UHI.

Porous materials present a heterogeneous structure organized on several scales: that of microscopic pores and that of aggregates, where interactions between liquid, gaseous and solid phases influence evaporation and wetting phenomena.
These processes depend on factors such as pore geometry, capillary properties, vapor diffusion and the connectivity of liquid phases across aggregates.
Current models struggle to integrate these multi-scale interactions in a consistent and predictive way, limiting the design of new materials optimized for ICU.

Thesis Objectives and Directions
This thesis aims to develop a multi-scale numerical simulation framework to study and predict evaporation and wetting mechanisms in porous civil engineering materials. The specific objectives are:
- At the pore scale: model capillary interactions and local evaporation mechanisms, taking into account non-linear phenomena such as capillary pressure gradients and liquid-vapor phase transition.

- At the aggregate scale: analyze interconnected fluid transport dynamics between pores and aggregates, including vapor diffusion and water storage effects.

- Multi-scale integration: combine models from both scales to predict the thermal and hydric performance of materials under realistic environmental conditions, such as those found in UHIs.


The expected results will provide a better understanding of the complex interactions between wetting, evaporation and multi-scale structure in porous materials.
They will contribute to the design of innovative and optimized solutions to reduce UHI, while improving the environmental performance of urban infrastructures.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université de Pau et des Pays de l'Adour

211 Sciences Exactes et leurs Applications

Master (ou ingénieur) en mécanique, génie civil, mécanique des fluides (milieu poreux) ou physique (thermodynamique, changement de phase, concentration hygrométrique) ou en mathématiques (analyse numérique, probabilité, non-linéarité). Une autonomie certaine en langage de programmation (Matlab, Python, C++ et/ou Julia) est requise; un esprit de synthèse et des qualités rédactionnelles sont attendus. Une expérience en simulation numérique est appréciée.
Master's degree in mechanics, civil engineering, fluid mechanics (porous media) or physics (thermodynamics, phase change, hygrometric concentration) or mathematics (numerical analysis, probability, non-linearity). A certain degree of autonomy in programming languages (Matlab, Python, C++ and/or Julia) is required; synthesis and writing skills are expected. Experience in numerical simulation is appreciated.