Modélisation Multi-échelle de réacteurs de type lits fluidisés Liquide-Solide en présence de particules anisotropes – MUSCATS

Des DNS, des expérimentations physiques à la micro et à la méso échelle sont entrecroisées pour construire et valider des lois de fermeture à la macro-échelle pour les modèles Euler-Euler. Une phase ultime de comparaison entre expériences et simulations à la macro-échelle permettra de discuter la représentativité des lois proposées.

Les installations expérimentales sont en cours de finalisation et permettent déjà des essais.
Les chercheurs non-permanents prennent en main les outils (PeLiGRIFF, NEPTUNE_CFD). Les simulations DNS et les simulations Euler-Euler avec modèles de particules sphériques sont en cours.

L'étape suivante consiste à déduire des DNS des lois de fermeture par une analyse statistique, et à valider les résultats expérimentaux à la micro et à la meso échelle. Ces résultats expérimentaux doivent encore être obtenus. Les nouvelles lois devront être introduites dans le modèle numérique EE.

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Les demandes énergétiques croissantes exigent l’exploitation des pétroles bruts lourds et l'utilisation des ressources de biomasse qui doivent être traitées dans les réacteurs à lit fluidisé ou à lit bouillonnant. Ces systèmes mettent en jeu des écoulements multiphasiques denses et multi- échelles. En combinant des compétences en mécanique des fluides et en génie chimique (IMFT, LGC, IFPEN), le projet MUSCATS vise à fournir des modèles prédictifs et innovants pour la conception et l'optimisation de réacteurs à lits fluidisés liquide-solide avec des particules anisotropes. Ces écoulements ont été peu étudiés contrairement aux lits fluidisés gaz-solide avec des particules sphériques. Le projet s'inscrit dans le cadre de l'approche de modélisation multi-échelles qui vise à établir des lois de fermeture, à partir de simulation DNS ou d'expériences à la micro-échelle, pour les modèles à méso-échelle de type Euler-Lagrange (EL) et ensuite, à établir des fermetures pour les modèles Euler-Euler (EE). L’approche EL constitue elle-même une étape de la modélisation multi-échelle utile pour générer des lois de fermeture pour les modèles EE et basée sur la théorie cinétique des écoulements granulaires (KTGF). Ces modèles sont finalement utilisés pour simuler des systèmes plus importants et des processus industriels plus complexes.
Trois partenaires sont impliqués dans ce projet (IMFT, LGC, IFPEN). L’IMFT a une forte expérience depuis plus de vingt ans sur des approches multi-échelles visant à développer le code EE NEPTUNE_CFD pour la conception et l'optimisation de réacteurs industriels à lits fluidisés. Pour atteindre cet objectif, ce laboratoire réalise également des expériences à l'échelle des particules pour informer et valider les modèles. Le LGC a plus de 30 ans d'expérience dans la conception et le développement d'expériences sur les lits fluidisés de la maquette de laboratoire à l'échelle industrielle. Ce laboratoire collabore avec l’IMFT depuis près de 10 ans au développement d’approches EE pour les simulations de lits fluidisés. L’IFPEN fournit aux acteurs publics et à l'industrie des technologies efficaces, économiques, propres et durables. Cet institut développe depuis une dizaine d’années le code PeliGRIFF pour les simulations DNS et EE d’écoulements denses fluide-particules.
Dans le projet MUSCATS, des simulations numériques aux échelles micro, méso and macro seront développées à partir de deux codes. Des expériences dans des installations à construire sont également prévues à des échelles intermédiaires afin de couvrir l’intégralité du changement d’échelle du micro au macro (expérience #1 à l’échelle micro-méso et l’expérience #2 à l’échelle méso-macro). L’expérience #1 sera réalisée dans une cellule plane très confinée afin de réduire les degrés de liberté du mouvement des cylindres et de permettre une description fine de la dynamique. Ces mesures seront comparées à des simulations DNS avec le code PeliGRIFF pour valider les prédictions. Ensuite, des simulations DNS dans une géométrie non confinée (boîte périodique) sont prévues afin de fournir des modèles de fermeture plus généraux pour l’échelle méso EL. Les simulations EL des expériences #1 et #2 seront effectuées avec le module EL du code PeliGRIFF et les résultats seront comparés aux mesures à l’échelle méso pour valider les lois de fermeture. Ensuite, une analyse statistique de ces simulations est planifiée afin de développer les lois de fermeture EE à partir de la théorie KTGF. Les simulations EE seront effectuées avec le code NEPTUNE_CFD sur l’expérience #2 pour discuter les lois de fermeture élaborées pour le dernier niveau du changement d’échelle. Enfin, des mesures à l’échelle industrielle seront menées par l’IFPEN et comparées aux prédictions EE.
Couvrant toutes les étapes de l’approche multi-échelle, le projet MUSCATS offre la possibilité de fournir des connaissances novatrices sur les lits fluidisés liquides-solides de particules anisotropes.