Analyse de la régénération de filtre à suie via une approche combinée expérimentale et numérique – ASORNE

Ce projet a pour but de prédire l'évolution de la morphologie d'un solide poreux due aux réactions chimiques entre un solide et une phase gazeuse pénétrante. L'oxydation de la suie par l'oxygène dilué et le NO2, passant à travers une couche de suie poreuse, servira d'exemple de validation pratique. Les phénomènes de base se formant lors de la régénération des filtres à suie pour le nettoyage des gaz d'échappement des moteurs diesel sont jusqu'à présent insuffisamment compris. En combinant des essais expérimentaux et des simulations numériques détaillées, nous tenterons de montrer à partir des premiers principes si (et dans quelle mesure) le change-ment de la vitesse de réaction globale provient principalement des changements morphologiques de la suie. Par conséquent, le projet vise à séparer la cinétique des particules de suie primaires des changements morphologiques qui affectent la surface accessible dans la structure de la suie.
Dans le cadre de ce projet, un réacteur dédié sera construit qui permettra d'oxyder progressivement une couche de suie dans des conditions isothermes. À partir de l'analyse des gaz d'échappement, le taux intégral de conversion des suies peut être surveillé. À des moments discrets, l'oxydation sera interrompue et la surface BET globale de la couche de suie partiellement oxydée sera mesurée sans démonter l'échantillon. Ainsi, nous pouvons simultanément obtenir des taux de réaction efficaces et des changements dans la surface globale.
Des informations détaillées sur la structure poreuse de la suie sont récemment devenues évaluables par des images de microscope électronique à faisceau focalisé (FIB-SEM). Cela permet de reconstruire le milieu poreux à l'échelle microscopique avec une haute résolution et fournit les conditions initiales pour les simulations numériques.
Un modèle 3D type Boltzmann sur réseau (LB) détaillé sera développé pour simuler le change-ment de morphologie de la suie pendant l'oxydation de la suie. Alors que la transport de un mélange gazeux à plusieurs composants à l'intérieur des pores sera simulée en utilisant la forme discrète de l'équation cinétique de Boltzmann, le changement de morphologie hétérogène de la suie pendant l'oxydation de la suie sera modélisé comme une nouvelle condition aux limites. Comme la méthode LB peut gérer efficacement des géométries complexes, par conséquent elle est bien adaptée pour modéliser la transition de phase solide-gaz.
Nous pouvons calculer la vitesse d'oxydation effective et comparer aux valeurs expérimentales. De plus, les images FIB-SEM, obtenues à partir d'échantillons de suie après oxydation partielle, peuvent être comparées à des simulations.
Une fois qu'un modèle détaillé sera disponible, il servira de base pour le développement d'un modèle étendu orienté application. Pour dériver les paramètres de transport macroscopiques anisotropes, une homogénéisation asymptotique sera utilisée. Le modèle macroscopique dérivé com-prend les bilans massiques et énergétiques classiques ainsi que les équations d'équilibre pour les propriétés structurales caractéristiques telles que la surface BET.