Nouveau mélangeur en ligne pour fluides à seuil : de la science fondamentale à l’optimisation du procédé industriel – NaiMYS

L’étude expérimentale et numérique du mélange et du transfert de chaleur au sein d’un nouveau mélangeur actif en ligne est proposée pour des fluides avec seuil de contrainte rencontrés dans l’industrie alimentaire. Des arguments dimensionnels simples indiquent qu’en réduisant la longueur effective du mélangeur, le gain d’énergie nécessaire pour fluidifier le matériau augmente quadratiquement. Cet appareil est donc un candidat idéal pour des applications de mélange à l’échelle industrielle pour lesquelles l’efficacité énergétique est cruciale.

Ce projet collaboratif comportera deux volets, l’un expérimental et l’autre numérique. Pour le premier, nous proposons le développement d’une nouvelle technique expérimentale capable de donner en même temps l’évolution spatio-temporelle du champ de vitesse ainsi que les efficacités de transport de la masse et de la chaleur.
Le second volet concerne la simulation numérique. Une étude paramétrique sera conduite en se basant sur des simulations numériques 2D afin d’identifier l’écoulement et la géométrie les plus adaptés pour construire le montage expérimental. Ensuite des simulations numériques 3D haute-résolution seront menées dans les conditions exactes du prototype expérimental dans le but de comparer les champs de vitesse et les efficacités de mélange à ceux obtenus expérimentalement et également aux résultats numériques 2D. Enfin, une approche originale, utilisant un algorithme génétique (AG) sera développée pour réaliser une optimisation multi-objectif (minimisation de la perte de charge et maximisation des efficacités de mélange/transfert) du design du mélangeur à partir d’un grand nombre de simulations numériques.

Les objectifs principaux visés pour le projet sont doubles. D’un point de vue pratique nous cherchons à mettre en œuvre une technique de mélange actif en ligne efficace énergétiquement. En combinant des approches expérimentale et numérique, nous allons construire un diagramme d’efficacité du mélange en fonction des paramètres tels que le seuil de contrainte du matériau et le forçage de l’écoulement. Ce diagramme d’efficacité du mélange sera utilisé pour développer une interface logicielle utilisateur capable de proposer rapidement à un industriel une solution à son problème couplé mélange/transfert de chaleur. Par ailleurs, le projet s’intéressera à plusieurs sujets fondamentaux encore jamais abordés. Ainsi, nous allons caractériser systématiquement les distributions de temps de résidence ainsi que les Exposants de Lyapunov en Temps Fini à l’intérieur du module du mélangeur et nous donnerons les premières corrélations de ces quantités en fonction de la contrainte seuil du fluide. De plus, nous caractériserons la décroissance du scalaire au cours du mélange en combinant les résultats d’expériences et de simulations numériques. La question pratique qui se pose ici est de savoir comment les temps de mélange optimaux dépendent du seuil de contrainte.

Le projet NaiMYS repose sur la collaboration de deux équipes de recherche, le Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique - SIAME - EA 4581 de la Fédération CNRS IPRA 2952 et le Laboratoire de Thermocinétique - UMR CNRS 6607.
Pour atteindre les objectifs fixés dans le cadre du projet, il est demandé principalement du financement pour la construction de l'installation expérimentale avec son équipement optique et l’acquisition d’équipements informatiques complémentaires nécessaires pour mettre en œuvre les nouveaux outils prédictifs numériques envisagés. Un financement de thèse (co-encadrement LTN et SIAME) est nécessaire pour le travail expérimental qui sera effectué à Nantes (deux ans) et pour la partie simulation numérique à Pau (un an). Par ailleurs, un stage post-doctoral de 18 mois sera nécessaire pour aider au développement d'outils numériques d’optimisation performants.