Théorie du séchage des milieux poreux capillaires à partir de simulations à haute performance (HPC) sur réseau de pores. – DRYCAP

Pour améliorer les modèles continus, nous avons procédé par comparaison avec des simulations numériques du séchage directement à l’échelle des pores. Ces simulations ont été développées à l’aide d’un modèle dit réseau de pores dans lequel l’espace des pores est représenté par un réseau de sites (correspondant aux élargissements locaux de l’espace des pores) connectés par des liens (correspondants aux constrictions de l’espace des pores). Les champs obtenus dans ses simulations sont ensuite moyennés spatialement afin de produire des grandeurs macroscopiques que l’on peut comparer à celles prédites par les modèles continus. Un des avantages de cette approche est d’accéder à des grandeurs qu’il est généralement impossible d’obtenir expérimentalement (comme, par exemple, la distribution spatiale de la pression de vapeur à la surface du milieu poreux ou la concentration en soluté dans la phase liquide percolante et la phase liquide non percolante). Ce permet la caractérisation fine de paramètres macroscopiques comme par exemple les résistances interfaciale et externe qui jouent un rôle clé pour la prédiction du flux d’évaporation.

Les modéles continus du séchage ont été améliorés suivant trois aspects :
-en développant des modèles dits à non-équilibre local (NLE)..
-en construisant un modèle continu du séchage faisant la distinction explicite entre phase liquide percolante et phase liquide non-percolante. Nous avons montré que cette nouvelle approche est particulièrement bien adaptée aux situations ou le séchage s’accompagne du transport d’ions ou de particules présents dans la phase liquide.
-en développant le couplage avec les transferts externes en utilisant le concept de résistance interfaciale macroscopique.

Les modèles mis au point proposent des capacités de prédiction significativement améliorées, notamment lors du séchage avec transport d’ions, de soluté ou de particules en phase liquide. Cette situation se rencontre dans de nombreux problèmes (altération des matériaux de construction due à la cristallisation d’un sel, procédés de fabrication où le séchage conduit à un dépôt de particules ou de polymère sur la matrice solide, etc). Toutefois, ces modèles améliorés n’ont été validés que pour certaines conditions. Il convient donc de les étendre de façon à couvrir une plus large gamme de conditions de séchage.

Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet ont conduit à huit articles (5 parus, 3 soumis) dans des journaux de référence, à 3 communications dans des conférences internationales et 1 communication dans une conférence nationale. Ils ont conduit à deux thèses de doctorats (1 en Allemagne, 1 en France).

Le séchage des milieux poreux est un processus d’une importance cruciale dans beaucoup de situations naturelles ou d’origine industrielle. Dans ce contexte, ce projet a l’ambition d’effectuer une percée majeure dans la modélisation du processus de séchage des milieux poreux capillaires. Il sera basé sur une combinaison de développements théoriques, de simulations sur réseau de pores dans le contexte du calcul intensif et de nouvelles expériences.

Des modèles continus à deux et trois équations seront développés en prenant en compte le fait que la pression partielle moyenne de vapeur n’est pas en équilibre local et en décomposant la phase liquide en partie liquide percolante et en partie non percolante. Les structures capillaires secondaires correspondant aux piégeages du liquide dans diverses singularités de l’espace des pores seront caractérisées expérimentalement et à partir de simulations numériques. Ces structures capillaires secondaires seront considérées comme une phase distincte et spécifique dans les modèles continus.

Les modéles de réseau de pores seront développés dans le cadre du calcul haute performance (HPC). Ceci est indispensable pour pouvoir déterminer les paramètres des modéles continus par simulations sur réseau de pores en satisfaisant aux nécessaires critères de séparation d’échelle.

Des expériences de séchage en présence d’un sel dissout seront effectuées dans le but d’obtenir des validations supplémentaires des modéles de réseau de pores et des modéles continus développés dans le projet. Le cas où une espèce dissoute est présente est très important pour beaucoup d’applications. Dans ce projet, la formation des points de cristallisation et leur distribution seront utilisées come éléments de validation essentiels pour les modèles et interpréter comme des signatures physiques du processus de séchage, en particulier vis à vis de l’impact des structures capillaires secondaires.