Th. 3e cycle--Méc.--Nancy--I.N.P.L., 1984.

Les médias fibreux nontissés sont des structures textiles très répandues dans le cadre de la filtration de l'air et plus particulièrement pour des particules fines de taille inférieure à 1 µm. Dans cette application, on recherche toujours un compromis entre l'efficacité de filtration (capture des particules) et la perte de charge (écoulement du fluide). Les caractéristiques structurelles des nontissés sont des facteurs primordiaux quant aux propriétés finales de filtration recherchées. L'approche est ici originale, car nous proposons de développer nos propres nontissés filtrants à l'aide d'outils de productions proches de l'industrie. Nous pouvons ainsi sélectionner des critères de structures (épaisseur, masse surfacique, type de fibres, diamètre des fibres etc.) adaptés aux propriétés de filtration de l'air que nous souhaitons étudier. Sur l'ensemble des caractéristiques structurelles étudiées nous avons montré que le paramètre le plus significatif sur les propriétés de filtration est le diamètre des fibres. Lorsqu'il diminue, nous augmentons l'efficacité mais au détriment de la perte de charge. L'expression de la longueur surfacique de fibres a été définie et est apparue comme un paramètre pertinent pour rendre compte des propriétés de filtration. Nous avons par ailleurs mis en évidence que la compacité augmentait fortement l'efficacité et la perte de charge. Notre étude sur des échantillons à base d'un mélange de diamètres de fibres montre que l'efficacité de filtration devait être assurée dans de tels mélanges par une longueur surfacique de fibres fines suffisante, alors que la quantité de fibres de diamètre plus élevé permet une structuration du média fibreux garantissant une perte de charge faible. La production de nanofibres par le procédé electrospinning nous a permis d'obtenir des échantillons avec des fibres de 250 nm de diamètre. L'amélioration du compromis efficacité/perte de charge observée est due à des nombres de Knudsen de fibres plus élevés que pour des échantillons microfibres. La modélisation des propriétés de filtration montre dans le cas d'échantillons idéalisés (fibres cylindriques, diamètre de l'ordre de 10 µm etc.) que la théorie est plutôt conforme avec les expérimentations. Cependant nous avons montré qu'en utilisant des mélanges de fibres ou des formes de section de fibres spéciales, ces modèles présentent certaines limites. Nous avons proposé des pistes avec notamment la prise en compte de nombreuses caractéristiques de la structure fibreuse afin d'obtenir des résultats plus proches des expérimentations.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La présente thèse s’intéresse à la conception et la caractérisation des procédés microstructurés mettant en œuvre des réseaux de microcanaux de différentes dimensions. L’analyse de tels réseaux multi-échelles, représentatifs d’une parallélisastion de microsystèmes élémentaires, a essentiellement servi à identifier les principaux paramètres géométriques et physiques contrôlant les performances de ces réseaux complexes. On a cherché à quantifier l’influence des paramètres géométriques comme le rapport de résistances hydrodynamiques internes, le nombre de canaux et d’échelles opérant ainsi que leur répartition sur le réseau, sur des critères hydrodynamiques comme la maldistribution du fluide et la perte de charge résistive. Il est révélé qu’en fonction des contraintes imposées, un arrangement optimal des canaux sur un nombre pair d’échelles permet de réduire considérablement la maldistribution interne des flux et les pertes de charge résultantes. L’analyse thermique associée à l’analyse hydrodynamique a montré que les performances thermiques des réseaux sont fortement liées à leurs structurations géométriques internes. En présence de réactions catalytiques consécutives, ces mêmes réseaux enregistrent des déviations du rendement du produit désiré. Ces déviations peuvent être levées par une structuration appropriée du réseau catalytique multi-canal. La même architecture de ces réseaux peut être adaptée pour permettre le déroulement des opérations de mélange et/ou des réactions multi-phasiques. Ainsi, pour ces réseaux complexes, où un nombre élevé de variables imbriquées est considéré, des lignes directrices sont ressorties pour aider à leur conception et dimensionnement / This PhD thesis focuses on the design and the characterization of microstructured processes including microchannel networks of various dimensions. The analysis of such multi-scale networks, representative of elementary microsystems parallelization, is mainly used to identify the main geometrical and physical parameters controlling the network performances. Influence of geometrical parameters, such as the internal hydrodynamic resistances ratio, the number of channels and scales and their arrangement in the network, on hydrodynamic criteria like fluid maldistribution and pressure drop is investigated. It is shown that according to some specific constraints, an optimal arrangement of the channels on an even number of scales, allows to reduce significantly the internal flow maldistribution and the consequential pressure losses. The thermal analysis coupled with the hydrodynamic analysis illustrates that the thermal performances of microchannel networks are strongly affected by their internal geometrical arrangement. Nevertheless, the various mixture points located in the network compensate the fluid maldistribution resulting from a non appropriate geometrical arrangement. When consecutive catalytic reactions are performed inside these networks, deviations of the desired product rate can be recorded. These deviations can be reduced by an optimal catalytic network arrangement. The same architecture of these networks is also adapted to allow multi-phase mixing and /or reactions. Thus, using these complex networks, where several variables are considered, guidelines are derived in order to improve their design and their dimensionless

Reproduction de : Thèse de doctorat : Energie, thermique, combustion : Poitiers : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.43 ref.

Les filtres plissés à très haute efficacité (THE) jouent un rôle essentiel dans le maintien du confinement des installations industrielles à risques, les réacteurs nucléaires par exemple. Ces filtres permettent le piégeage des aérosols, qui sont la principale source de contamination externe. Dans ce cadre, l’IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) conduit des études pour caractériser les performances des filtres THE. L’objectif de la présente thèse a été de développer un modèle prédictif décrivant l’évolution de la résistance aéraulique du filtre au cours de son colmatage. Le colmatage d’un filtre plissé THE est piloté, d’une part par les conditions aérauliques imposées dans les réseaux de ventilation, d’autre part par la nature du média et les propriétés des particules collectées par le filtre. Ainsi, les travaux réalisés ont été répartis sur deux volets. La première partie a été dédiée à l’étude de l’aéraulique du filtre suivant une approche double expérimentale et numérique. Un banc expérimental permettant de mesurer les champs de vitesse dans un pli de filtre plissé THE a été développé. Les mesures réalisées ont servi à la validation des codes de calcul utilisés (ANSYS CFX® et GeoDict®) et au développement d’un modèle de perte de charge initiale des filtres plissés vierges. Une validation du modèle à l’échelle de filtres complets avec des géométries différentes a ensuite été effectuée. La deuxième partie a porté sur l’étude du colmatage des filtres plissés THE suivant une approche expérimentale et numérique. Un banc expérimental a été développé pour la détermination des paramètres entrant en jeu dans les modèles de colmatage (porosité, taille de particules …), puis des simulations numériques à l’aide du logiciel GeoDict ont été réalisées pour caractériser la croissance du dépôt sur la média. La combinaison des résultats expérimentaux et numériques a conduit au développement d’un modèle décrivant l’évolution de la résistance aéraulique du filtre THE au cours de son colmatage avec des particules microniques / High Efficiency Particulate Air (HEPA) pleated filters are used to ensure the containment of airborne contamination within nuclear facilities. These filters are often the last barrier before a potential release of radioactive substances into the environment. Predicting their performances (pressure drop and efficiency) is a main thrust of research for IRSN which aims at avoiding any unexpected failure of those devices on French nuclear facilities. The clogging phenomenon is mainly influenced, on one side, by the flow conditions imposed in the ventilation network and, on the other side, by the media characteristics and the particles properties which are collected by the filter. Consequently, the work carried out has been divided into two parts. In the first part, we focused on the study of the airflow behavior within a HEPA pleated filter with an experimental and numerical approach. An experimental bench has been developed to measure the airflow field at the entrance channel of a HEPA filter pleat. Then, the experimental measurements have been used to validate GeoDict® and ANSYS CFX® simulations. The combination of the experimental and the numerical results have been used to develop a model to predict the evolution of the initial HEPA filter pressure drop. The work performed in the second part deals with the clogging of the filter. An experimental bench, dedicated to the characterization of the parameters that intervene in the clogging models such as the porosity, the pressure drop and the particles size, has been developed. Then, numerical simulations conducted with GeoDict® have been realized to describe the cake formation on the surface of a HEPA pleated filter. Finally, we developed a model to predict the evolution of HEPA pressure drop during clogging with micronic particles

Afin de permettre la mise en place d’une filière de valorisation du CO2 issu de l’industrie sidérurgique, cette étude a pour but de proposer un nouveau procédé de dépoussiérage des fumées de hauts fourneaux qui serait placé à la suite des filières actuelles de traitement pour améliorer leur épuration. L’originalité de la technologie retenue, un lit granulaire arrosé, permet de maintenir la perte de charge constante en facilitant le réentraînement en continu des particules collectées à l’aide d’un écoulement de liquide (formant un film à la surface des collecteurs) pour ainsi pallier le problème de colmatage. Une étude hydrodynamique et des mesures d’efficacité vis-à-vis de particules de diamètre compris entre 0,5 et 10 µm ont montré que la perte de charge et l’efficacité initiale augmentaient avec la diminution du diamètre des collecteurs, ce qui est en accord avec les résultats de la littérature pour des lits granulaires secs. La présence d’un filet d’eau augmente l’efficacité initiale de collecte au détriment toutefois d’une perte de charge plus élevée. Ces observations sont liées à la diminution de la porosité du lit lorsque ce dernier est arrosé par un débit d’eau. Un bon compromis entre perte de charge et efficacité a été trouvé avec un lit composé de 50 cm de billes de 5 mm de diamètre et un débit d’eau de 12 L.min-1 pour un débit de gaz à traiter de 20 m3.h-1. Des essais de colmatage longue durée ont mis en évidence que l’efficacité du lit reste globalement constante au cours du temps, à une valeur proche de la valeur initiale. La perte de charge, bien que supérieure en début d’expérience à celle d’un lit granulaire sec, se stabilise rapidement à une valeur bien plus faible que celle mesurée pour un lit sec pour une même masse de particules collectées. Les expériences ayant été menées sur 30 h dans des conditions défavorables, nous pouvons nous attendre à ce que dans des conditions réelles de fonctionnement la perte de charge soit stable sur des temps beaucoup plus longs. Ainsi la présence de l’eau remplit bien le rôle prévu en limitant l’évolution du colmatage du lit granulaire par le réentrainement des particules collectées par le lit. Cette étude s’est achevée par le développement d’un modèle permettant de déterminer la perte de charge et l’efficacité initiale d’un lit granulaire arrosé, ce qui a abouti sur un exemple de pré-dimensionnement à échelle industrielle / In order to enable the establishment of a CO2 recovery chain sector from the steel industry, this study aims to propose a new filtration device for the dust removal of blast furnace fumes that would be placed after the current treatment chain to improve their purification. The originality of the chosen technology, a trickle bed, permits to maintain a constant pressure drop by re-entraining continuously the particles trapped on collectors thanks to a water film flow to overcome the clogging problem. A hydrodynamic study and efficiency measurements lead with particles (in a range of diameters between 0.5 and 10 μm) showed that the pressure drop and the initial efficiency increase with the decrease of the collector diameter, which is in agreement with the results of the literature for dry granular beds. The presence of water increases the initial collection efficiency at the expense of a higher pressure drop. These observations are related to the decrease of the bed porosity in presence of a water flow. A good compromise between pressure drop and efficiency was found for an air flow rate of 20 m3.h-1, a liquid flow rate of 12 L.min-1 and using a 50 cm bed composed of glass beads of 5 mm diameter. Long-term clogging tests showed that the efficiency of the bed remains globally constant over time at a value close to the initial one. The pressure drop, although higher at the beginning of the experiment than that of a dry granular bed, stabilizes rapidly at a much lower value than that measured for a dry granular bed for the same mass of particles collected. The experiments have been carried out over 30 h under disadvantageous conditions, and we can expect that under real operating conditions the pressure drop will be stable over much longer times. Thus, the presence of water plays its part by limiting the clogging evolution of the granular bed by the re-entrainment of particles collected by the bed. This study was completed by the development of a model to determine the pressure drop and initial efficiency of a trickle bed, which resulted in an example of pre-sizing of a process on an industrial scale

Nous avons considéré trois expériences mettant en jeu des interfaces déformées. Nous étudions d'abord une colonne liquide oscillant sous l'effet de la gravité. Outre le comportement original de cet oscillateur ouvert, la géométrie de l'écoulement induit une perte de charge singulière dont nous proposons une expression. Puis nous considérons l'impact de gouttes dans un trou ou sur une fibre (motifs élémentaires d'une grille) et caractérisons la vitesse de capture des gouttes en fonction des dimensions des motifs. En complément, nous décrivons l'évolution d'une goutte posée sur une fibre conique. Enfin, nous nous intéressons à l'impact d'un jet de liquide sur un bain de même nature. Nous mesurons le rayon de courbure de l'interface air-liquide à l'endroit de l'impact et montrons qu'il décroît exponentiellement avec la vitesse. À grande vitesse, l'interface ne peut supporter ce degré de confinement élevé et une fine lame d'air, dont nous mesurons l'épaisseur, est entraînée dans le bain.

L'érosion est un phénomène d'arrachage et de transport de particules solides par des efforts hydrauliques au sein des ouvrages hydrauliques. Cette pathologie très représentée dans les ouvrages en terre peut conduire à la rupture, aussi, la comprendre et la maîtriser constituent des enjeux sociétaux et industriels très forts. L'érodabilité des matériaux se caractérise au travers notamment d'un essai dit d'érosion de conduit et sa modélisation numérique constitue le pivot de ce travail de thèse. Le phénomène d'érosion est un problème couplé entre le fluide et le solide et nous utiliserons deux codes construits sur des approches particulaires pour aborder le problème : ASPHODEL (ANDRITZLMFA) pour la partie fluide (méthode SPH-ALE Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrangian Eulerian) et YADE (L3S-R) pour la fraction solide (méthode DEM Discrete Element Method). Alors que YADE a été largement utilisé pour modéliser des problèmes géotechniques, ASPHODEL n'a pas encore été évalué dans un tel contexte. Ce travail constituera alors une étude de faisabilité pour l'utilisation d'ASPHODEL dans un contexte du génie civil et donnera les conditions pour espérer obtenir des résultats quantitatifs pour les phénomènes étudiés. Dans un deuxième temps, le couplage entre les deux codes sera construit dans le but d'étudier les phénomènes d'arrachage de particules le long de conduits formés à travers des matériaux granulaires cohérents. La validation du code ASPHODEL à l'échelle de la particule a été effectuée par l'étude de l'écoulement visqueux autour d'un objet 2D (cylindre) fixe et isolé de section circulaire mais aussi carrée ou triangulaire. Les forces de trainée, de portance, le coefficient de pression autour du cylindre et le nombre de Strouhal sont comparés à des résultats issus de la littérature pour différents Reynolds en régime laminaire. La validation du code ASPHODEL à l'échelle de l'échantillon a consisté à étudier un écoulement fluide entre des parois lisses ainsi que des parois constituées de particules solides fixes créant une rugosité. Le coefficient de frottement a été systématiquement calculé et comparé aux résultats issus de la littérature et le torseur fluide sur chaque particule solide des parois a été aussi évalué. Enfin, le couplage partitionné entre les deux codes fluide et solide a été construit et validé qualitativement pour le problème de la sédimentation sous gravité d'un grain solide rigide dans un fluide visqueux.

Les particules ultrafines (PUF) sont de nos jours susceptibles de se retrouver massivement dans l’air des lieux de travail et dans l’environnement, notamment de par leur génération non-intentionnelle par certains procédés industriels. Du fait de la toxicité de plus en plus avérée de ces particules, l’air contaminé doit être extrait des lieux de travail et filtré avant d’être rejeté dans l’atmosphère. Les filtres classiquement utilisés sont des filtres à fibres plissés présentant l’inconvénient vis-à-vis des PUF d’être rapidement et irréversiblement colmatés. Afin de trouver une alternative à ces filtres, il a été décidé d’étudier les lits granulaires. Pour ce faire, la cinétique de colmatage des lits granulaires par des PUF a dans un premier temps été étudiée à l’échelle macroscopique et microscopique par suivi des évolutions des performances ainsi qu’en procédant à des observations de structure de dépôt. Evaluer la capacité des lits granulaires à se positionner en tant qu’alternative aux médias fibreux peut nécessiter la connaissance des performances des lits granulaires dans un grand nombre de configurations. Pour s’affranchir des expériences correspondantes, un modèle théorique de prédictions des performances des lits granulaires en cours de colmatage a été développé. Ce modèle a par la suite permis par une optimisation multicritère de trouver la configuration optimale d’un lit granulaire amélioré. Enfin, des essais préliminaires très prometteurs d’une manche granulaire permettant d’augmenter la surface de filtration et l’efficacité de collecte ont posé les bases d’une potentielle utilisation des lits granulaires pour la filtration de PUF dans l’industrie / The air of workplaces and the environment can be contaminated by ultrafine particles (UFP) coming mainly from a non-intentional generation emitted by some industrial processes. The toxicity of these particles being more and more admitted nowadays, the polluted air of the workplaces has to be extracted and filtered in order to protect the workers and the public, respectively. The commonly used filters are pleated fiber filters which are rapidly and sometimes irreversibly clogged by the UFP. In order to find an alternative to these pleated filters, it was decided to study the granular beds. To do so, the clogging kinetic of granular bed by UFP was studied. This was achieved by conducting both macroscopic and microscopic studies of the granular bed clogging consisting in the monitoring of the evolution of the performances and in performing visualizations of UFP deposit structures. Evaluate the ability of granular beds to be an alternative to fiber filters can require the knowledge of the granular bed performances evolution for a large number of configurations. In order to avoid the realization of the corresponding experiments, a theoretical model was developed. Then, this model permitted by a multi-criteria optimization method to find the optimal configuration of an improved granular bed. Finally, some preliminary and very promising tests of a cylindrical granular bed filter permitting to increase the surface filtration and the collection efficiency laid the groundwork of a potential use of granular beds for the industrial UFP filtration