Franck Lominé

Écoulements de particules dans un milieu poreux

Présentation

La manipulation de la matière en grains est souvent la source de nombreuses difficultés. L'une d'entre elles est la ségrégation de taille, qui implique une distribution non homogène des différents types de grains, ce qui rend très difficile la réalisation de mélanges homogènes. Dans le cadre de ces travaux, je me suis intéressé au phénomène de percolation spontanée dans un milieu granulaire.

Le phénomène de percolation spontanée est défini comme le mouvement de fines particules à travers un arrangement de sphères plus grosses sous le simple effet de la gravité. L'énergie est alors dissipée lors des collisions qui entraînent une dispersion longitudinale et transversale des particules. L'intérêt porté à la compréhension des phénomènes qui régissent ce type de transport trouve sa justification dans les problèmes rencontrés par les industries mettant en œuvre des matériaux granulaires (industrie pharmaceutique, industrie agroalimentaire, secteur du génie civil, ...). Pouvoir pallier les phénomènes de ségrégation qui apparaissent lorsque l'on essaie de mélanger deux, voire plusieurs types de grains, est d'une importance primordiale dans les secteurs industriels précédemment cités.

De plus, un processus dispersif tel que celui précédemment cité, s'avère être un moyen simple et efficace pour obtenir des mélanges homogènes. Néanmoins, pour y parvenir, la connaissance de l'influence des différents paramètres qui interviennent est nécessaire. Ces travaux de recherches s'articulent autour de deux axes complémentaires : une partie expérimentale et une partie numérique.

Expériences

Expérimentalement, nous pouvons étudier les variations du temps moyen de transit en fonction de la hauteur de l'empilement, du coefficient de restitution, du rapport de taille entre les billes en transit et celles constituant le poreux, ainsi qu'en fonction du nombre de particules injectées dans le milieu, etc. Nous pouvons également déterminer la dépendance de la distribution des particules à la sortie du milieu poreux en fonction de ces mêmes paramètres. Ceci permet de remonter à la mesure des coefficients de dispersion. De plus amples informations sur ce dispositif et les résultats qu'il a permis d'obtenir sont disponibles dans les références suivantes : Lominé et Oger, 2006; Lominé, 2007, Lominé et Oger. 2009.

Simulations numériques

Parallèlement à ce dispositif expérimental, des simulations numériques ont été menées. L'utilisation de la simulation numérique permet d'avoir aisément accès à l'intérieur de la matrice poreuse. Elle permet un contrôle total des paramètres physiques intervenant dans le processus de percolation et permet également la mesure de diverses grandeurs difficilement accessibles expérimentalement.

Après la génération d'empilements de sphères constituant la matrice poreux, la partie dynamique de la simulation est soit traitée par une méthode de type dynamique moléculaire de sphères dures (Event-Driven). Dans ce cas, les collisions sont par défaut traitées de manières binaires et instantanées. Les contacts non-instantanés entre plusieurs particules peuvent être néanmoins modélisés par une amélioration de la méthode Event-Driven classique connue sous le nom de tc-model. Cette méthode ne nécessite pas d'intégration temporelle.

La partie dynamique peut également être traitée par une méthode des éléments discrets (DEM) de sphères déformables. Cette méthode est très bien adaptée pour gérer nativement les contacts entre plusieurs particules. Du fait de la nécessité, dans cette méthode, d'intégrer temporellement les positions des particules, cette méthode est généralement plus coûteuse en temps de calcul que la précédente.

Ces études numériques ont été menées via les codes de calcul développés (P3Ded et P-MLG3Dmd ).