[MAD-SIM] Modélisation des écoulements de poudre dans les dispositifs agités : des études rhéologiques à la simulation prédictive à l'échelle du processus

Cette thèse de doctorat vise à modéliser et simuler les écoulements de poudre dans des équipements industriels agités, un défi majeur étant donné que la poudre se comporte de manière variable comme un solide, un fluide ou un gaz. Le choix des paramètres de conception et de fonctionnement de ces dispositifs est souvent déterminé de manière empirique à partir d'expériences ou en s'appuyant sur des modèles rhéologiques par défaut. Il est primordial de rationaliser ces choix afin de garantir la qualité des produits et la sécurité des processus. À cette fin, les techniques de modélisation existantes se heurtent à des limites importantes. Si l'analyse dimensionnelle nécessite des invariants établis et une connaissance précise des phénomènes, les méthodes numériques telles que la modélisation par éléments discrets (DEM), bien qu'elles fournissent un accès précis aux trajectoires et aux vitesses des particules, exigent un temps de calcul considérable, ce qui les rend irréalistes pour les équipements à grande échelle utilisant des poudres réelles [1]. En tant qu'approches plus macroscopiques, les modèles de mécanique des milieux continus, tels que ceux de type CFD, permettent des simulations à plus grande échelle, mais dépendent de la connaissance des lois constitutives spécifiques à la rhéologie des poudres [2][3]. Une modélisation précise des phénomènes impliqués dans la rhéologie des poudres est donc essentielle pour la conception rationnelle des équipements.

Des travaux récents [4] ont observé un écoulement en phase dense dans des mélangeurs horizontaux qui peut être décrit par la rhéologie µ(I) [5][6][7]. Cette relation révèle la transition entre les régimes de friction et de pré-collision et peut être utilisée comme base invariante pour la mise à l'échelle des processus [8]. Cependant, ces résultats doivent être consolidés et étendus des milieux granulaires modèles aux poudres réelles [9]. La thèse vise à explorer les approches rhéologiques et les modèles de mécanique des milieux continus pour simuler ces écoulements. Un mélangeur pilote instrumenté sera utilisé comme rhéomètre systémique. Des expériences physiques et numériques seront menées pour identifier la géométrie de la zone de cisaillement et les mécanismes à l'origine de sa formation, en lien avec les propriétés des particules et la géométrie de l'agitateur. La DEM sera spécifiquement utilisée pour caractériser les phénomènes à proximité de la zone agitée, fournissant des détails difficiles à mesurer en laboratoire. La viscosité effective identifiée imitera le comportement microscopique du fluide et contribuera au modèle macroscopique continu qui sera implémenté dans un logiciel CFD, permettant ainsi des simulations à grande échelle. La validation initiale se fera sur le mélangeur pilote, l'objectif à long terme étant d'adapter le modèle à des volumes de plusieurs centaines ou milliers de litres. L'un des principaux résultats attendus est l'établissement des principes d'un rhéomètre prototype capable de générer des données pour les écoulements denses dans un environnement semi-confiné, comblant ainsi une lacune actuelle du marché. Ce projet ambitieux vise à appliquer les progrès de la physique des granulés à des situations industrielles réelles, dans le but ultime d'adopter une approche intégrée de la caractérisation des poudres et de la simulation des écoulements à l'échelle industrielle. Cela facilitera le développement de jumeaux numériques afin d'optimiser la conception écologique des équipements industriels et de déterminer les paramètres de fonctionnement.