Le développement des outils expérimentaux et numériques d'investigation

Encadrement de la recherche : technique cinématographique en lit fluidisé dense

TABLIR DES MESURES PERTINENTES POUR LA VALIDATION DES MODÈLES LOCAUX implantés dans les code de calcul de simulation numérique des lits fluidisés gaz-particules denses et transportés est toujours une de mes priorités. D'autant plus qu'elles permettent de développer des modèles corrélatifs de l'hydrodynamique des systèmes étudiés, seuls réalistement utilisables pour dimensionner un procédé. Après avoir établi ce type de données expérimentales par le passé pour les applications de la séparation rapide et des lits fluidisés denses et transportés de poudres du type catalyseur de FCC, je le fais ici pour l'application de la vapo-gazéification de la biomasse.

E

En 2008, je conçois et construis une bi-sonde optique dédiée aux lits fluidisés denses à température ambiante, pilote de celle que je veux développer pour la caractérisation de l'hydrodynamique locale du lit fluidisé de vapo-gazéification qui sera construit au LGC dans le cadre du projet GAYA. Elle est basée sur le principe de celles que j'ai utilisées durant mon post-doc, ce qui me permettra notamment d'utiliser le programme matlab de traitement de signal que j'avais développé à cette occasion en 2002. Il est alors nécessaire de valider la chaîne bi-sonde/traitement de signal dans les conditions hydrodynamiques de la vapo-gazéificationa_{, en mesurant}

simultanément les propriétés des structures hydrodynamiques locales (cordes et vitesses de bulles) avec la bi-sonde optique et par une autre technique de validation.

Pour cela, je conçois un lit fluidisé bi-dimensionnel transparent d'épaisseur réglable, construit par l'équipe technique du LGC, en particulier M. Alain Müller pour le travail du plexiglass (Figure 53). La caractérisation de la maquette et la mise au point de la technique expérimentale de validation basée sur la cinématographie, sont réalisées en 2009 au cours de stage de Master de M. Samuel Kouo Mbillé56_{, que}

j'initie et que je co-encadre avec le professeur Hémati. L'utilisation de la bi-sonde optique et sa validation par la comparaison des mesures aux résultats obtenus par cette technique est actuellement en cours dans l'équipe du professeur Hémati. La Figure 54 résume le principe de la technique cinématographique qui permet d'établir la position, le périmètre, le diamètre équivalent et la vitesse de chaque bulle de gaz apparaissant dans le lit fluidisé bidimensionnel.

a_{C'est-à-dire un lit fluidisé de particules d'environ 500 mm de diamètre et de densité supérieure à 2500 kg/m}3_{, dans}

Figure 53: Lit fluidisé bi- dimensionnel transparent.

Figure 54: Les différentes étapes du programme d'analyse d'images : 1) image originale binarisée, 2) pré-traitement pour suppression des reflets sur bords, 3-4-5) détection, parcourt

et mesure du périmètre de la bulle par algorithme de reconnaissance de bord, 6-7) remplissage et mesure de la surface de la bulle par algorithme de propagation de germe.

Exemple de densité de probabilité du diamètre des bulles obtenue. KouoMbillé56

Activités de recherche : transfert de quantité de mouvement en écoulements gaz-particules semi- denses

CCÉDER À UN OUTIL DE SIMULATION NUMÉRIQUE DES ÉCOULEMENTS est une priorité compte tenu de mes activités de recherche. Il doit cependant satisfaire certaines conditions : intégrer des modèles d'écoulements et des algorithmes de résolution sophistiquésa_{, des schémas numériques précis}b_{, avoir de bonnes}

performances de parallélisation, tout en autorisant l'accès aux sources et la liberté d'utilisation.

A

En pratique, aucun des codes que j'ai utilisés ne regroupe toutes ces qualités, et chacun à ses atouts : Fluent, code commercial au prix prohibitif pour une petite structure de recherche, fait "à peu près tout à peu près bien", est supporté en continu par une équipe de développement, et en ce sens est l'outil idéal pour un industriel malgré un accès réduit aux sources ; Estet-Astrid (Neptune), code industrialo-universitaire, intègre une modélisation à la pointe des avancées scientifiques dans le domaine des écoulements gaz-particules grâce aux travaux du professeur Simonin, est dédié à une communauté limitée de spécialistes.

OpenFOAM®, présenté par ses développeurs comme un code de calcul numérique

a_{Modèles de turbulence (k-ε, R}

ij-ε, LES), modèles d'écoulements à phase dispersée (modèles granulaires, lagrangiens),

modèles physiques (propriétés thermodynamiques, compressibilité), modèles réactifs (combustion) ; algorithme SIMPLE, PISO ; …

permettant de simuler des écoulements complexes turbulents réactifs, de résoudre des problèmes de mécanique du solide, d'électromagnétisme, est OpenSources. Pour ces raisons, il est un outil potentiellement alternatif à tester. Le Tableau 5 résume les avantages et les inconvénients du code commercial Fluent, du code industriel Neptune, et du code OpenFOAM dans le contexte de la simulation des écoulemens gaz-particules réactifs.

Code de calcul Modèles gaz- particules Accessibilité aux sources Performance calcul parallèle Investissement Remarques Humain Financier

Fluent + - + - ++ Nécessite l'achat de _licences

Neptune ++ +/- + +/- +/- Nécessite une

collaboration avec l'IMFT Open

FOAM +/- ++ + ++ --

Nécessite l'implantation des modèles Tableau 5: Evaluation des trois codes envisagés selon les critères de choix énoncés. Dans un premier temps, j'ai avec l'ingénieur de recherche du LGC Mlle Iréa Touche, testé la validité de la DNS implantée dans

OpenFOAM® pour la prédiction des forces de traînée exercées par un fluide circulant à travers un réseau fixe de particules mono- diamètre et aléatoirement distribuées dans l'espace, à faible et moyen Reynolds (Figure 55). Les prédictions numériques sont comparées aux corrélations de Schiller- Naumann et Wen et Yu.

Un schéma Superbee est utilisé pour les termes convectifs. Un schéma centré d'ordre deux est utilisé pour les termes diffusifs. Une discrétisation au second ordre est utilisée pour le terme de gradient de pression. Le couplage pression-vitesse est résolu avec l'algorithme SIMPLE. L'équation de poisson pour le calcul du champ de pression est résolue avec la méthode du gradient conjugué pré-conditionné par factorisation incomplète de Cholesky. L'équation de quantité de mouvement est résolue par la méthode du gradient bi- conjugué pré-conditionné par factorisation

incomplète LU. Les simulations sont réalisées en parallèles sur Grid'5000a_{. Les résultats, tant dans}

les prédictions que dans les performances de parallélisation, sont encourageants (Figure 56).

a_{Le projet national GRID’5000 est une plate-forme expérimentale de recherche en informatique, constituée d’une grille}

Figure 55: Domaine de calcul OpenFOAM sur Grid'5000 de l'écoulement d'un fluide à travers un réseau de 64 particules disposées

aléatoirement avec une concentration volumique locale de 25%. Visualisation des lignes de courant à Re=10. Maillage composé

Figure 56: Performances de parallélisation : Simulation Fluent 6.3 d'écoulements gaz-particules sur Cluster Linux InfiniBand40 _(∆),

Simulation Neptune d'écoulements de canal bouillonnant sur Tantale57

(□), Simulation OpenFOAM d'écoulements monophasiques sur Aladdin-Grid'500058 _(º).

Activités de recherche : développement d'un outil numérique pour la simulation des écoulements gaz-particules

Dans un deuxième temps, j'y ai implanté, toujours avec Mlle Iréa Touche, les modèles granulaires et les techniques numériques de résolution associées, de telle sorte que la modélisation complète existante dans Fluent 6.3 soit disponible dans une version personnelle d'OpenFOAM®. La validation complète du code dans les régimes d'écoulements gaz-particules dilués, semi-denses et denses, la détermination des performances de la parallélisation, sont une de mes perspectives de recherche.

4 Conclusions

Cette partie a résumé le parcours professionnel que j'ai eu ces onze dernières années. Le lecteur connait maintenant le réseau de collaborations universitaires et industrielles auxquels j'appartiens et mes partenaires potentiels pour la réalisation du programme de recherche que je me propose de réaliser. Celui-ci, présenté dans la partie suivante, s'appuiera sur mes compétences dans les domaines suivants :

– conception et mise au point de maquettes expérimentales ;

– conception et mise au point de techniques expérimentales de caractérisation de

l'hydrodynamique : bi-sondes optiques, pressions différentielles, traçage de phases continues et de particules ;

– modélisation des mécanismes de transferts à l'échelle laboratoire et industrielle suivant les

approches globales et semi-globales propre au Génie des Procédés que sont les modèles corrélatifs et les modèles piston-dispersion et bulle émulsion ;

– modélisation des mécanismes de transferts à l'échelle locale suivant le formalisme eulérien

propre à la modélisation RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) implantés dans les codes de calcul des écoulements gaz-particles tridimensionnels instationnaires aux échelles laboratoire et industrielle ;