Description :
Contexte :

De grand nombres de procédés industriels mettent en jeu une phase fluide interagissant avec une autre phase fluide dispersée : séparation de phase dans le traitement de l’eau, conversion de la biomasse, ... L’étude de ces systèmes a un double intérêt. Industriel tout d’abord afin d’améliorer l’efficacité des procédés (coût énergétique, impact environnemental). Scientifique également de manière à affiner la connaissance générale des phénomènes complexes mis en jeu. La difficulté de modélisation de ces écoulements découle de la nature très diverse des transferts de quantité de mouvement mais aussi des variations topologiques des inclusions (bulles ou gouttes) du fait de leurs interactions avec leur environnement. En particulier, des inclusions se rapprochant suffisamment peuvent coalescer. Dans toutes les situations industrielles, il est crucial de comprendre les mécanismes physiques en jeu, de manière à pouvoir influencer la coalescence, la favoriser ou au contraire l’inhiber, selon les besoins.

Objectif du stage :

Ce travail de stage propose d’étudier la fréquence de collision d’une suspension de gouttes remontant sous l’effet de gravité. Cette donnée est nécessaire pour estimer les noyaux de coalescences utilisés dans les approches de bilan de population. Ces dernières permettant de dimensionner les installations industrielles. Différents
modèles de fréquence de collision existent en fonction du type d’écoulement rencontré. Citons le travail pionnier de Smoluchowski (1917) qui estima, entre autre, la fréquence de collision dans un écoulement de cisaillement pur.
Dans le cas d’une suspension remontant sous l’effet de la gravité cette donnée est bien moins connue (Chesters, 1991) car elle résulte d’interactions complexes entre les inclusions et leurs sillages. Beaucoup d’études numériques ont été menées sur des particules solides en sédimentation (voir par exemple Willen et Prosperetti (2019)), mais très peu d’études existent pour des inclusions déformables et moins denses que leur environnement.
L’objectif de ce stage est d’utiliser la simulation numérique directe pour cartographier avec précision les fréquences de collision en fonction des différents paramètres sans dimension du problème. En particulier nous investiguerons l’influence du nombre de Reynolds des gouttes. Pour ce faire nous utiliserons le logiciel opensource Basilisk qui s’avère particulièrement adapté à l’étude de ces systèmes.

Programme de recherche :

Le plan de travail se déroulera comme suit. Le premier mois de travail ([T0 ; T0+1]) sera évidemment consacré à la prise en main du logiciel Basilisk ainsi qu’à analyse critique de la bibliographie. La suite du stage ([T0+1 ;T0+3]) sera principalement dédié à la simulation numérique directe d’une suspension de gouttes remontant sous
l’effet de la gravité dans un domaines bi-périodique (voir figure 1). Cette configuration nécessitant l’ajout d’un terme de forçage volumique pour atteindre un régime stationnaire, des tests de validations seront effectués au préalable. La seconde partie du stage portera sur la simulation numérique directe d’une suspension de gouttes dans un domaine tri-périodique ([T0+3 ; T0+5]). Une attention particulière sera portée sur les différences phénoménologiques entre les simulations bi et tridimensionnelles. Le dernier mois du stage ([T0+5 ; T0+6]) sera dédié à l’écriture du mémoire ainsi qu’à la mise au point d’un modèle de fréquence de collision le plus général possible.

Ce stage mènera à une thèse financée par IFPEN. Le sujet de thèse portera sur un un sujet connexe à savoir la modélisation de la coalescence par l’intégration d’un modèle de sous maille pour prendre en compte les forces aux petites échelles (lubrification, van der Waals, ...).

Reference :

Date de démarrage : 13 janvier 2021

Durée :

Contacter :
∂’Alembert
Stéphane POPINET, Jean-Lou PIERSON
∂’Alembert, 4, Place Jussieu 75252 Paris
email : stephane.popinet@upmc.fr