Intensification des transferts de matière dans les milieux poreux par

 Proposition de sujet de thèse LGPM – mars 2013 Intensification des transferts de matière dans les milieux poreux par vibrations forcées : application au séchage Champs disciplinaires : génie des procédés, science des matériaux, modélisation, hydrodynamique vibrationnelle Mots clés : vibration, oscillation, séchage, milieu poreux, transfert de matière, transfert de chaleur, intensification Contexte L’objet de cette thèse est d'utiliser la vibration pour intensifier les transferts de matière en milieux polyphasiques. Le principe repose sur le concept de mécanique vibrationnelle [1, 2] qui agit grâce à l’effet moyen des champs de forces oscillatoires. Les résultats attendus visent directement plusieurs applications en liaison avec les milieux poreux (séchage, imbibition, catalyse hétérogène, adsorption…). Dans l'application des techniques vibrationnelles aux milieu poreux, la fréquence adimensionnelle ω est l'un des paramètres clé (ω = (d/δ)2 où d est la taille du pore et δ est l’épaisseur de la couche limite visqueuse de Stokes, δ = (2ν/Ω)1/2 ; ν la viscosité cinématique et Ω la fréquence de vibration). Dans le domaine des fortes fréquences et amplitudes (ω >>1), une intensification du transfert d’un soluté (diffusion effective) en milieu poreux a été observée aussi bien dans la direction transverse que longitudinale à la vibration [3]. La cinétique de transport d’une impureté soumise à un gradient de concentration le long d’un pore parallèle (droit) est accélérée d’un ordre de grandeur sous l’effet d’une vibration haute fréquence. Ceci étant, l’oscillation du liquide pourrait être induite aussi bien par un gradient de pression que par la déformation de la structure poreuse. L’effet de la vibration sur le séchage a également été reporté dans la littérature souvent dans le cas des ultrasons [4]. Bien que plusieurs modélisations semi-­‐empiriques soient proposées [5, 6], aucun formalisme unique n’a été élaboré et validé. Par ailleurs, des systèmes multiphasiques soumis à un champ de forces oscillatoires donnent lieu à des comportements interfaciaux surprenants [7, 8] susceptibles d’être mis à profit pour de nouvelles applications potentielles. Travail proposé a) Travail expérimental Les expérimentations envisagées couvriront une large plage de variation de la fréquence adimensionnelle ω. Elles s'appuient sur des techniques expérimentales disponibles au LGPM. Les vibrations seront générées par une chaîne vibratoire constituée d'un générateur de fonctions, d'un amplificateur de puissance et d'un pot d'accélération. Les configurations retenues iront de configurations modèles très simples à des cas réels : -­‐
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un seul capillaire, de section constante, puis variable avec observation par caméra rapide (jusqu'à 1000 images par seconde), des milieux poreux modèle "2D" constitués d'un réseau gravé de pores de taille variable avec observation par caméra optique, des milieux poreux réel soumis à un séchage convectif avec observation de la température de surface par caméra infrarouge et l'établissement non-­‐destructif de profils d'humidité par imagerie-­‐X. La comparaison des cinétiques de séchage avec et sans vibration permettra de quantifier l'effet des forces vibrationnelles. b) Travail théorique Des modélisations théoriques seront élaborées au vu des résultats expérimentaux. L'amplitude de la plage de variation de la fréquence adimensionnelle ω testée permettra de valider ou invalider les hypothèses de travail. La modélisation commencera sur les configurations les plus simples à l'aide de modèles analytiques, qui permettront de quantifier les phénomènes dominants et leur domaine d'action. Le cas du pore unique par exemple, sera propice à quantifier l'effet de l'hystérésis de l'angle de contact (différence entre avancée et recul). Pour des valeurs élevées de ω, (ω <<1), il est probable que la couche limite de Stokes permettent d'expliquer et de quantifier les observations. Le domaine des faibles valeurs de ω, (ω <<1), correspondant au cas des micropores (taille plus faible que l’épaisseur de la couche limite visqueuse de Stokes), n’a pas ou peu été exploré. Son examen pourrait constituer une innovation intéressante. L'effet recherché de la vibration serait alors le passage des ilots liquides à travers les plus petits pores rencontrés sur le cheminement. Dans ce cas, les forces en concurrence seraient les forces capillaires liées au plus petits pores et les forces d'inertie directement liées à la longueur des ilots. Dans ce cas, un modèle simple de milieu poreux permettra de quantifier la perte de l'efficacité des vibrations lorsque la taille des ilots diminue (faible valeur de saturation). Dans le cas des milieux poreux réels, le travail aura pour objectif une formulation macroscopique de la force motrice produite par la vibration. Cette force pourra être testée sur le code TransPore de transferts couplés de chaleur et de masse en milieu poreux [9, 10]. Encadrement : Profs. Patrick Perré et Moncef Stambouli Collaboration internationale : Profs. Victor Kozlov (Université pédagogique d’Etat de Perm –Russie) et Sassi Ben Nasrallah (ENIM – Tunisie) Références : 1.
G. Z. Gershuni, D.V. Lyubimov. Thermal vibrational convection. N.Y. Wiley, et al., 1998. 358 p. 2.
I. I. Blechman. Vibrational mechanics. Allied Publishers, 2003, 509 p. 3.
Joshi C.H. et al. An experimental study of gas exchange in laminar oscillatory flow, J. Fluid Mech. 1983.V133. P. 245-­‐254. 4.
J. V. Garcia-­‐Perez, J. A. Carcel, S. de la Fuente-­‐Blanco, E. Riera Franco de Sarabia, Ultrasonic drying of foodstuff in fluidized bed : Parametric study, Ultrasonics, 2006, 44, 539-­‐543 5.
V. K. Surasani, T. Metzger, E. Tsotsas, Consideration of heat transfer in pore network modeling of convective drying, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, 51, 2506-­‐2518 6.
M. Stakic, T. Urosevic. Experimental study and simulation of vibrated fluidized bed drying, Chemical Engineering and Processing : Process Intensification, 2011, 50, 428-­‐437 7.
V. G. Kozlov, A.A. Ivanova and P. Evesque. Sand behavior in a cavity with incompressible liquid under vertical vibrations, Europhys. Letters. 1998. V. 42. № 4. P. 413–418. 8.
V. Kozlov, A. Ivanova, and P. Evesque. Block stratification of sedimenting granular matter in a vessel due to vertical vibration, FDMP: Fluid Dynamics & Materials Processing. 2006. V. 2. No3. P. 203–210. 9.
Perré P. and Turner I., 1999 -­‐ A 3D version of TransPore : a comprehensive heat and mass transfer computational model for simulating the drying of porous media, Int. J. Heat Mass Transfer, 42: 4501-­‐4521 10. Carr E., Turner I., Perré P., 2013 -­‐ A variable-­‐stepsize Jacobian-­‐free exponential integrator for simulating transport in heterogeneous porous media: Application to wood drying, J. Computational Physics, 233: 66-­‐
82.