Abstract :
[fr] Ce travail de thèse de doctorat, effectué au sein du Département de Chimie Appliquée (au
Laboratoire de Génie Chimique, LGC), vise à réaliser l’étude de l’écoulement d’un fluide dans des géométries complexes rencontrées en Génie Chimique (les empilages aléatoires et structurés, souvent utilisés dans des colonnes d’adsorption et de distillation) par la méthode de Boltzmann sur réseau (Lattice Boltzmann Method, LBM) et à développer un outil numérique de simulation sous la forme d’un code de calcul tridimensionnel. Dans le but d’améliorer les performances de ces éléments complexes, qui conduisent à une efficacité et une sélectivité accrue des procédés se produisant dans les colonnes de distillation et d’adsorption, il est donc intéressant d’examiner avec plus de précision la description des phénomènes de transport se produisant à l’échelle locale dans ces milieux.
Dans un premier temps, les concepts et les équations macroscopiques qui dérivent de l’écoulement d’un fluide ont été succinctement passés en revue, ainsi que le modèle de turbulence qui a été utilisé.
Nous présentons ensuite, les éléments théoriques de la méthode de Boltzmann sur réseau, après quelques détails sur le modèle Gaz sur réseau, dont elle est dérivée. La méthode de Boltzmann sur réseau se démarque des schémas traditionnels en résolvant numériquement une équation basée sur la physique statistique. Les codes des modèles SRT–LBE (équation de Boltzmann sur réseau à un seul temps de relaxation) et MRT–LBE (équation de Boltzmann sur réseau à plusieurs temps de relaxation) à trois dimensions, de même que des conditions aux limites convenables ont été écrits dans un langage de programmation, puis validées sur des cas types de la littérature : un écoulement laminaire dans un conduit de section carrée et un écoulement de jet turbulent rectangulaire à 3D.
Les codes implémentés dans une grille de calcul ont permis de simuler des écoulements de fluides dans des structures très complexes qui ont été obtenues par une technique expérimentale avancée : la microtomographie à rayons X. L’étude d’une mousse métallique, d’un filtre à charbons actifs et d’un filtre de capture d’aérosols ont été présentés. Les résultats numériques ont été comparés avec succès aux mesures expérimentales et à des corrélations de la littérature.
Une autre étude a concerné l’étude de l’écoulement à travers deux feuilles de Mellapak™
250 Y. Les champs et contours de vitesse ainsi obtenus ont été soigneusement analysés et commentés à la fois en régime laminaire et en régime turbulent. Les résultats hydrodynamiques ont été comparés avec des mesures expérimentales ainsi qu’avec des valeurs calculées par des corrélations disponibles dans la littérature. Les modèles existant ont été analysés. Enfin, ces simulations (LBM) ont été comparées à celles effectuées dans les mêmes conditions opératoires, avec le code de calcul classique FLUENT.
