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PhD: Simulation numérique directe de suspensions de gouttes polydispersées dans une turbulence inhomogène
Cette thèse vise à améliorer la compréhension et la modélisation physique de la coalescence des gouttes dans une turbulence inhomogène. Une méthodologie de simulation numérique directe sera développée et un post-traitement élaboré permettra d’extraire la fréquence de collision, le temps de contact et les forces appliquées sur les gouttes. Ces grandeurs serviront ensuite à développer des modèles de coalescence pour les bilans de populations et des lois de trainée pour les simulations Euler-Euler utilisées pour le design des extracteurs liquide-liquide. Les modèles seront ensuite intégrés dans des outils CFD métier puis testés sur un cas industriel.
L’extraction liquide-liquide est un procédé crucial pour l’industrie de la chimie et prend une place importantedans les études de chimie des procédés à IFPEN. La différence de taille entre les plus petites gouttes et lahauteur de colonne d’extraction pouvant être de quatre à cinq ordres de grandeur, le dimensionnement detels procédés fait face à une problématique multi-échelle inerrante aux écoulements diphasiques turbulents.Dans une colonne d’extraction, la taille moyenne des gouttes d’un des liquides est le critère principalpermettant d’évaluer l’efficacité de transfert de masse entre les deux fluides. Par des approchesnumériques, la distribution des tailles de goutte est généralement obtenue à partir de calculs aux grandeséchelles avec une approche Euler-Euler couplée à une équation de bilan de population. Bien que cesapproches soient relativement matures d’un point de vue numérique, elles nécessitent des lois de fermetureadaptées aux systèmes considérés. En l’état, les termes d’échanges entre les deux fluides, pour l’approcheEuler-Euler, ainsi que les termes de changement de taille des gouttes (coalescence et fragmentation), dansl’équation de bilan de population, ne sont pas prédictifs avec les modèles actuels.Cette thèse propose d’améliorer les lois de fermetures à l’aide de simulations directes de populations degoutte soumises à la gravité et la turbulence. Les simulations se baseront sur le code Basilisk avec uneméthodologie originale de suivi d’interface contrôlant la coalescence par de multiples champs de fractionvolumique (multi-VOF) et un forçage de la turbulence. Cette stratégie a déjà été validée sur des populationsmonodisperses dans une turbulence homogène. La première étape de la thèse a pour objectif d’étendrecette méthodologie à des cas avec gravité et des populations bi-disperses dans Basilisk. Ensuite, l’analyseapprofondie des résultats de simulation devra aboutir à des nouvelles lois de trainée et de fréquence decoalescence qui contiennent les effets gravitaires et de polydispersité. Ces modèles seront ensuitecomparés à l’existant sur des cas industriels d’extracteur liquide-liquide pour lesquelles des résultats desimulations et expérimentaux sont disponibles dans notre institut.