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Transferts et réactions dans les écoulements dispersés turbulents

Coordinateur : Eric Climent
Chercheur impliqués : Eric Climent, Pascal Fede, Enrica Masi, Olivier Simonin

Description du Thème :
Le thème de recherche aborde l’expérimentation, la modélisation et la simulation numérique des écoulements turbulents dispersés. Ces écoulements diphasiques peuvent être le siège de transferts (de matière et de chaleur) et aussi de réactions chimiques.

La compréhension et la modélisation des écoulements diphasiques est indispensable dans le domaine des Sciences pour l’Ingénieur où les opérations de mélange, de mise en contact ou de séparation des phases sont généralement confrontées à des situations complexes. En effet la majorité des procédés industriels mettent en jeu deux ou plusieurs phases.
Dans le cas où une des deux phases se trouve dispersée sous forme d’inclusions de petite taille dans la phase continue, on est confronté à deux problèmes simultanés. D’une part il faut prédire la dispersion des inclusions (particules solides, bulles ou gouttelettes) par l’écoulement turbulent de la phase continue. En retour, il faut intégrer l’action des particules sur la dynamique de l’écoulement qui peut être fortement modifié pour des fractions volumiques modérées (inférieur à 10% volumique).
La difficulté associée à de telles configurations est surtout due à la gamme très étendue d’échelles de longueur qui va des plus grandes échelles de l’écoulement de la phase continue liées à la géométrie du dispositif jusqu’aux plus petites échelles que l’on trouve dans le sillage et la couche limite des particules qui composent la phase dispersée.

Une approche basée sur la modélisation multi-échelles a donc été entreprise depuis de nombreuses années. Cette approche se base sur des outils de simulation dédiés et des expériences de laboratoire dans des configurations géométriques simples pour se focaliser sur les phénomènes physiques élémentaires.
Dans le cadre de ce thème nous souhaitons poursuivre le développement de la démarche multi-échelles pour la construction de modèles macroscopiques. Ces derniers nécessitent une compréhension profonde des phénomènes de transfert à l’échelle locale en évitant autant que possible la modélisation des termes l’interaction entre phases ; c’est le niveau de description qui correspond à l’échelle microscopique (typiquement pour l’étude de l’écoulement et des transferts autour d’une ou d’un nombre réduit d’inclusions). Le niveau de description mésoscopique s’attache à des phénomènes mettant en jeu un nombre important de particules ou inclusions fluides (typiquement quelques milliers ou centaines de milliers). Cette échelle permet de modéliser simplement les interactions directes ou collectives et d’avoir un post-traitement statistique de l’évolution de la dispersion. Les trajectoires de particules sont en général individualisées (approche Euler-Lagrange). Enfin, l’échelle macroscopique s’attache à une description complète de l’écoulement et des transferts, souvent dans une géométrie complexe. La phase dispersée est alors modélisée par des équations eulériennes représentatives des inhomogénéités de l’évolution spatiotemporelle de la concentration en particules, gouttes ou bulles. Une originalité du groupe PSC est d’avoir la capacité, en interne, ou dans le cadre de ses collaborations, de participer activement à plusieurs étapes ou niveaux de description de cette démarche muti-échelles.
Cette capacité, qui est liée en particulier à la maîtrise d’un ensemble d’outils de simulation adaptés à chacune des échelles considérées, nous paraît particulièrement fructueuse et sera développée dans le cadre de cet axe transversal car elle permet d’enrichir notablement la démarche scientifique par un aller-retour permanent entre les différentes échelles d’analyse et de modélisation de l’écoulement.

Cette approche est déjà déclinée dans le groupe sur des configurations emblématiques telles que, par exemple, les lits fluidisés réactifs, les turbines à combustion.

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