Différences de contraintes normales dans les suspensions non-browniennes concentrées

Nous nous intéressons aux deux différences de contraintes normales qui apparaissent lorsqu'on cisaille une suspension de sphères non-browniennes suffisamment concentrée. Nous mesurons simultanément les contraintes normales totales dans la suspension et la pression dans le liquide suspendant afin d'évaluer les contraintes normales d'origine particulaire. Les deux différence de contraintes normales sont mesurées en utilisant deux géométries d'écoulement distinctes : deux plans parallèles rotatifs et une géométrie de poiseuille annulaire

Contraintes normales particulaires dans les suspensions non-browniennes concentrées

Nous étudions l'écoulement d'une suspension concentrée de particules non-browniennes entre deux disques parallèles en rotation. Le disque inférieur est immobile et il est percé de trous recouverts de grilles qui retiennent les particules. La pression du liquide derrière les grilles, appelée pression de grille, est mesurée. Par ailleurs le disque immobile est équipé de capteurs de pression qui affleurent sa surface. Ces derniers permettent de mesurer le profil radial de contrainte normale dans la direction du gradient de vitesse. Nous montrerons que l'on peut déduire de ce profil, les deux différences de contraintes normales. Par ailleurs, en adoptant une description diphasique de la suspension, la contrainte particulaire dans la direction du gradient de vitesse pourra être obtenue en soustrayant la pression de grille (identifiée à la pression dans le liquide) à la contrainte normale totale mesurée grâce aux capteurs directs. Connaissant la contrainte normale particulaire dans la direction du gradient de vitesse et les deux différences de contraintes normales, nous serons en mesure de présenter les trois composantes de contrainte normale. La connaissance des contraintes normales particulaires présente un intérêt certain car ce sont elles qui sont censées contrôler la migration de particules sous écoulement. Nous verrons cependant que l'interprétation des mesures présentées ici est extrêmement délicate et qu'il n'est pas certain que les grandeurs que nous mesurons soient celles qui interviennent dans la migration

Etudes expérimentales et numériques d'un jet de particules : application au freinage ferroviaire

Les transports ferrés urbains, bien que considérés comme une alternative écologique au transport individuel, font aujourd'hui l'objet d'un intérêt grandissant en matière de risque pour la santé et d'exposition aux particules fines. Des campagnes de mesures aux particules fines (PM) effectuées dans plusieurs réseaux souterrains de métropoles mondiales ont révélé des niveaux relativement élevés. Ces mesures se basent sur des taux moyens mesurés principalement en stations et ne permettent pas d'identifier précisément la provenance des particules. L'objectif principal de ce travail est d'apporter, par voie expérimentale, des éléments permettant d'améliorer les modèles numériques prédictifs de transport et de comportement des particules issues du freinage d'un matériel roulant. Un certain nombre d'études ont été réalisées sur le sujet en écoulement multiphasique mais peu d'entre elles ont été menées sur les particules d'usure et aucune ne s'est attaquée au problème du comportement dynamique des particules et de leur interaction avec un écoulement turbulent autour d'un équipement ferroviaire. Cette étude vise à tester numériquement le « Suspension balance Model » (SBM), modèle basé sur les phénomènes de migration de particules dans un écoulement. Une configuration canonique d'écoulement est définie (jet de particules en couche limite) en vue de procéder à une validation expérimentale par méthodes optiques. L'interaction du jet avec un écoulement de type couche limite est analysée en vue de comparer les champs de vitesse et de concentration issus de la modélisation et de l'expérience. Ces essais sont réalisés dans un canal hydraulique avec injection de particules calibrées

Xper: une plateforme pour la simulation numérique distribuée d'interactions multiphysiques entre corps.

International audienceLe papier concerne l'outil numérique parallèle développé pour l'étude des interactions entre corps rigides ou déformables. Les interactions concernent d'une part la séparation dans le cadre de la rupture dynamique de matériaux hétérogènes et d'autre part le contact entre particules en présence de fluide. La plateforme numérique associée repose sur le couplage du logiciel LMGC90 (Dynamique des Contacts) pour la prise en compte d'interactions complexes entre les corps et la bibliothèque PELICANS pour la résolution des comportements volumiques (Eléments finis ou Volumes Finis) des corps

Airborne Virus Transmission Modeling, Simulation and Forecasting

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Rhéologie des suspensions concentrée et migration des particules induite par un écoulement

This thesis deals with an experimental and numerical investigation of the phenomenon of shear-induced particle migration in inhomogeneous shear flows of mono-dispersed non-colloidal suspensions at neglected inertia. Variety of diffusion flux models that predict the shear-induced migration were presented. However, in this work, the Suspension Balance Model (SBM) is adopted. The latter describes the migration flux of particles as the divergence of the particle Stress tensor. According to the need for the different measurable parameters in this Model, a new experiment was developed for measuring the viscosity, the two Normal Stress Differences and the particle stress tensor of mono-dispersed non-Brownian suspensions of hard spheres flowing between rotating parallel disks over a wide range of concentrations (0.20 - 0.46). The original SBM is modified based on the new measurements. The Finite Volume Method via the OpenFOAM package is used as the technique to solve the problem numerically. Solutions are generated and results are compared to similar ones generated with the original model. Finally,the SBM model is extended into two-dimensional situations within a general Frame-Invariant structure that takes into account the local kinematics of the suspension.Lorsqu'une suspension concentrée est en écoulement, il est fréquent d'observer que la concentration en particules ne reste pas homogène mais que les particules migrent vers des régions préférentielles de l'écoulement. Globalement, il existe deux types de modèles pour décrire cette interaction entre l'écoulement et la structure qui apparaît dans la suspension. Les premiers sont assez phénoménologiques et reposent sur l'étude des collisions qui surviennent entre les particules en écoulement. Ils donnent lieu à une description de la migration en terme de diffusion des particules. Le second modèle, appelé "Suspension Balance Model" (SBM), fait appel à l'action des contraintes normales d'origine particulaire engendrées par l'écoulement. Ce modèle semble très pertinent mais son utilisation souffre du manque de données sur les contraintes normales dans les suspensions. Ce manuscrit rapporte une étude expérimentale et numérique de la rhéologie et de la migration induite par un écoulement dans des suspensions non-browniennes concentres. La partie expérimentale consiste à mesurer, en géométrie torsionnelle plan-plan, la viscosité, les deux différences de contraintes normales et le tenseur des contraintes particulaires. Les contraintes particulaires déterminées expérimentalement sont alors injectées dans le "Suspension Balance Model" qui relie le flux de particules à la divergence du tenseur des contraintes particulaires, dans le cas d'un écoulement de cisaillement simple. Les équations couplées de la conservation de la masse, des particules et du moment d'inertie sont implémentées dans OpenFOAM et résolues par la méthode des volumes finis. Les résultats numériques sont comparés à des résultats numériques et expérimentaux de la littérature. Enfin, le SBM est généralisé pour être utilisé dans tout type d'écoulement à 2 dimensions ; les cas du cisaillement d'un nuage de particules et de l'effet de la gravité dans un écoulement de Couette horizontal sont traités

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Optimisation topologique des systèmes complexes thermofludiiques: Modélisation et design multi-physiques multi-échelles

Complex thermofluid flows like concentrated non-colloidal suspensions and fluid flows in porous media are present in many mechanical, chemical, geological, civil, biological, industrial and process engineering applications (e.g. blood, concrete, oil and fuels, cosmetics, detergents, drilling muds, rivers, food processing, cpu coolers, heat exchangers, etc). Developing advanced numerical methods and robust, reliable and sustainable Computational Fluid Dynamics (CFD) tools is very important. These numerical tools, thanks to the High Performance Computing (HPC) resources today (I.e. affordable clusters, cloud and parallel computing) permit scientists to deeply analyze different complex multiscale multiphysics phenomena. They allow deep analysis, understanding and knowledge of the different phenomena (multiphase fluid flow dynamics, heat and mass transfer) while reducing both time and money costs compared to mounting of expensive experimental setups. Topology Optimization of complex thermofluid flows and systems allow designing unpredictable artificially intelligent optimal components at different scales such as optimal heat exchangers, static and dynamic mixers, coolers, separators, heaters, air pollution filters, biogaz separators, etc. Topology optimization is known to produce optimal designs of complex geometries where the fabrication is not a big issue today ! This is thanks to the technology of additive manufacturing or 3D printing. The optimal component design produced by topology optimization can ensure different important features based on the user’s desired options such as: a maximum energy efficiency, a minimum weight, a maximum rigidity and a minimum pressure drop, all for predefined objective functions and at different industrial constraints. My research, development and innovation activities and scientific contributions during the last decade have been developing in this context. They are grouped into three major research axes or themes: Axis no.1 - Complex-fluid flows of non-colloidal suspensions, Axis no.2 - Topology optimization and design of complex thermofluid flow systems, and Axis no.3 - Multi-component fluid flows in adsorbent porous media. These three research axes have been contributing importantly to the scientific reputation of all my host research units during the last decade. They constitute a solid academic database and a huge potential for future scientific reputation. This is due to multiple undergoing scientific collaborations with different national and international universities, institutions and industrial partners. My research activities have been always developed trying to propose future solutions strategies in attempts to overcome some of the coming socioeconomic and industrial challenges (i.e. optimization and design of innovative components and materials, pollution reduction, energy savings and energy efficient new technologies).Les écoulements thermofluidiques complexes, tels que les suspensions concentrées des particules non-colloïdales, et les fluides dans des milieux poreux, sont présents dans de nombreuses applications en génie mécanique, chimique, géologique, civile, biologique, industrielle et de procédés (e.g. sang, béton, huiles et combustibles, cosmétiques, détergents, boues, rivières, aliments, refroidisseurs de processeurs, échangeurs de chaleur, etc). Développer des methodes numériques avancées et des outils de CFD (Computational Fluid Dynamics) robustes, fiables et durables est très important. Aujourd’hui, grâce aux ressources HPC (High Performance Computing) et les grands centres de calculs abordables, les clouds et calculs parallèles, ces outils numériques permettent aux scientifiques d’analyser en profondeur différents phénomènes complexes multi-échelles multi-physiques. Ils permettent une analyse approfondie, la compréhension et la connaissance des différents phénomènes (dynamique des fluides multiphasiques, transfert de chaleur et de masse) tout en réduisant les coûts en temps et en argent par rapport à des montages expérimentaux coûteux. L’optimisation Topologique des systèmes thermofluidiques complexes permet de concevoir des composants optimaux imprévisibles intelligents artificiellement à différentes échelles, tels que des échangeurs de chaleur optimaux, des mélangeurs statiques et dynamiques, des refroidisseurs, des séparateurs, des réservoirs de stockage de la chaleur, des ballons d’eau chaude sanitaires, des filtres de pollution atmosphérique, des séparateurs de biogaz, etc. L’optimisation topologique est bien connue pour produire des conceptions ou designs optimales de géométries complexes où la fabrication n’est plus un gros problème aujourd’hui grâce à la technologie de fabrication additive ou l’impression 3D. La conception optimale des composants produite par l’optimisation topologique peut assurer différentes caractéristiques importantes en fonction des options souhaitées par l’utilisateur, telles que: une efficacité énergétique maximale, un poids minimal, une rigidité maximale et une perte de charge minimale, tout pour des fonctions objectives prédéfinies et pour des différentes contraintes industrielles. Mes activités de recherche, de développement et d’innovation et mes contributions scientifiques au cours de la dernière décennie se sont développées dans ce contexte. Ils sont regroupés en trois grands axes ou thèmes de recherche: Axe n.1 – Écoulement complexe de suspensions non-colloïdales, Axe n.2 – Optimisation topologique et conception optimale de systèmes complexes thermofluidiques et Axe n.3 – Écoulement aux composants multiples dans des milieux poreux adsorbants. Ces trois axes de recherche ont largement contribué à la réputation scientifique de toutes mes unités de recherche hôtes au cours de la dernière décennie. Ils constituent une base de données universitaire solide et un énorme potentiel pour une réputation scientifique au future. Cela est dû à de multiples collaborations scientifiques en cours avec différentes universités, institutions et partenaires industriels, nationaux et internationaux. Mes activités de recherche ont toujours été développées en essayant de proposer des stratégies de solutions futures pour tenter de surmonter certains défis socio-économiques et industriels (optimisation et conception de composants et matériaux innovants, réduction de la pollution, nouvelles technologies avec une basse consommation ou maximum efficacité énergétique)