Modélisation numérique de la coalescence dans les fluides complexes

Dans le cadre de sa mission d’intérêt général, IFPEN concentre ses efforts sur l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat. En particulier l’une des problématiques majeures rencontrées à IFPEN est de réduire le coût et l’impact environnemental des procédés faisant intervenir des écoulements diphasiques. Les écoulements diphasiques interviennent dans de nombreux secteurs de l’énergie : conversion de la biomasse, traitement de l’eau, .... La séparation liquide/liquide et fréquemment utilisée pour séparer les deux phases en présences. Elle met en jeu des phénomènes physiques à des échelles très différentes. La difficulté de description de ces phénomènes est liée aux échelles variées présentes dans le domaine d’écoulement mais aussi aux différentes physiques interagissant à ces échelles (des forces de van der Waals  agissant à l’échelle moléculaire jusqu’aux forces hydrodynamiques agissant à l’échelle de l’écoulement). L’échelle d’intérêt pour l’industrie, appelée ici échelle macroscopique, est celle du système à dimensionner, c’est-à-dire le séparateur dans notre cas. Or, la physique des interactions à l’échelle locale de l’interface entre les deux phases, par un jeu de cascade d’échelles, régit le comportement macroscopique de l’écoulement diphasique. Ainsi, pour obtenir une modélisation satisfaisante des grandes échelles du système, il convient de traiter précisément  les petites échelles de la mécanique des fluides d’une part, mais également de prendre en compte les phénomènes agissant à des échelles submicroniques, régis par les forces à l’échelle moléculaire.
La résolution de tous les phénomènes physiques dans des simulations numériques nécessiterait des maillages très fins, ce qui rend le calcul impossible. A cette échelle, les phénomènes qu’on ne peut résoudre directement sont modélisés. La démarche multi-échelle proposée ici repose sur la résolution des grandes échelles (hydrodynamiques) et de la modélisation des plus petites (moléculaires). Dans le cadre de ce travail nous proposons de réaliser des simulations, en utilisant le code numérique libre Basilisk (http://basilisk.fr/), développé par Stéphane Popinet, dans lequel une méthode VOF associée à des techniques de raffinement de maillage (AMR) et à un calcul performant de la tension de surface permet de simuler finement les phénomènes interfaciaux. L’objectif principal de cette thèse est d’utiliser et adapter cet outil numérique pour réaliser des simulations numériques directes d’une émulsion réelle dans la perspective d’une démarche multi-échelle. En particulier, nous souhaitons développer un modèle de drainage de film permettant de représenter les phénomènes agissant aux échelles micro et submicroniques. Des simulations d’une population représentative de gouttes seront ensuite lancées. Cette analyse mènera à la fermeture de termes primordiaux (fréquence de collision des gouttes, probabilité de coalescence) pour le dimensionnement des installations à l’échelle industrielle. 

Mots clefs: coalescence, CFD, mécanique des fluides

• Directeur de thèse    Directeur de recherche, POPINET Stéphane, ∂'Alembert, boîte 162, 4, Place Jussieu 75252 Paris Cedex 05
• Ecole doctorale    SMAER
• Encadrant IFPEN    Ingénieur de recherche, PIERSON Jean-Lou, jean-lou.pierson@ifpen.fr
• Localisation du doctorant    IFPEN, Solaize (15km de Lyon), France  
• Durée et date de début    3 ans, début au cours du quatrième trimestre 2021 
• Employeur    IFPEN
• Qualifications    Master / diplôme d’ingénieur en mécanique des fluide
• Connaissances linguistique    Bonne maîtrise du français indispensable, anglais souhaitable
• Autres qualifications    Des connaissances en C seraient souhaitables