Modélisation et Simulation Numérique du Malaxage Acoustique de Fluides Énergétiques Chargés – SINRAM

Le marché des mélangeurs industriels est un marché animé par de nombreux secteurs industriels, avec en première ligne ceux de l’agro-alimentaire et pharmaceutique, mais aussi de l’aéronautique et de l’armement. L’objectif des différents acteurs est de fournir des appareils permettant d’obtenir, à partir d’au moins deux matériaux, un produit final le plus homogène possible, afin de satisfaire les niveaux de qualité requis par ces industriels pour un coût de fabrication compétitif. Ce point est d’autant plus important que de la qualité du mélange va dépendre la stabilité du produit, indispensable notamment i) lors de la mise en vente de produits médicaux dans lesquels les substances actives sont mélangées à des excipients et d’autres stabilisateurs, ou ii) afin d’obtenir un propulseur répondant aux normes de sécurité autorisant sa manipulation tout en gardant une efficacité permettant son utilisation militaire après un stockage de plusieurs années.
Les mélangeurs industriels les plus répandus sont dits intrusifs car ils utilisent la rotation de pales ou d’une grille quadrillée qui initient le mélange. Dans ces procédés, le mélange n’est efficace que dans un volume de fluide très proche de l’excitateur, où les gradients de vitesses et de cisaillement sont très importants. Ces phénomènes étant très localisés, l’obtention d’un mélange homogène nécessite un temps de processus relativement long. Pour diminuer drastiquement le temps nécessaire à l’homogénéisation, on se propose de plus en plus d’utiliser une toute autre technologie de mélangeur : "ResonantAcoustic® Mixing" ou technologie RAM. Cette méthode non intrusive génère le mélange via l’oscillation verticale du récipient contenant les composants. La fréquence d’oscillation est de 60 Hz (± 2 Hz) et correspond à la fréquence de résonance de l’ensemble du système. Le récipient contenant les composants à mélanger est posé sur le plateau supérieur et sa masse est faible comparée à celle du système dans sa globalité. Il apparaît alors à l’intérieur des fluides à mélanger à la fois des mouvements convectifs macroscopiques, mais également des micro-mouvements tourbillonnaires. Ces derniers sont générés dans l’ensemble du volume à mélanger. Cette multitude de zones de micro-mélange améliore le brassage et permet d’obtenir un mélange homogène très rapidement (quelques dizaines de minutes contre plusieurs heures avec les mélangeurs classiques).
Cette technologie relativement récente est peu comprise, et les données publiées sont très restreintes. À titre d’exemple, aucune donnée n’existe concernant les raideurs des ressorts ou les techniques permettant le réglage automatique de la fréquence. Ainsi, les protocoles de mélange sont très empiriques et dépendent fortement des fluides mis en jeu (via leur viscosité), du taux de remplissage ou de la pression à l’intérieur du récipient. Dans un besoin de répétabilité, ainsi que d’évolution technologique pour permettre le passage d’une configuration de laboratoire (50 cL) à une utilisation industrielle (> 20 L), il est indispensable de comprendre la physique inhérente à ce procédé. Actuellement, de nombreuses études sur les performances du procédé existent dans la littérature, essentiellement dans le domaine pharmaceutique, mais également dans le secteur de la propulsion.

L’objectif du projet SINRAM est de réaliser une avancée significative dans la mise en place d’un code de simulation numérique du mélangeur RAM. Le projet met en avant la mise en place de méthodes et modèles numériques pour simuler le malaxage RAM avec la prise en compte de toutes ses échelles spatio-temporelles. Ce projet combinera les savoir-faire issus de la modélisation physique, des méthodes numériques et du calcul haute performance. La confrontation avec les données expérimentales sera présente à toutes les étapes de validations.