L'étude des phénomènes fondamentaux de<p>transport et de thermodynamique apparaissant lors de l'évaporation<p>en milieu poreux permet l'investigation d'applications pratiques<p>variées. Dans ce travail, nous développons des modèles fondamentaux<p>d'évaporation en milieu poreux que nous appliquons ensuite au<p>séchage en lit fluidisé de deux matériaux granulaires poreux :le<p>PVC et la levure.<p><p>Les modèles mis au point sont réalisés suivant une approche<p>multiéchelle. Nous nous intéressons tout d'abord aux phénomènes se<p>déroulant à l'échelle d'un pore. Les modèles développés à cette<p>échelle sont ensuite exploités dans le cadre d'une étude à l'échelle<p>d'un grain poreux. Le couplage des modèles de grain avec un modèle à<p>l'échelle du réacteur permet alors l'étude des applications<p>industrielles.<p><p>A l'échelle du pore, nous étudions les phénomènes de transport dans<p>un capillaire initialement rempli de liquide qui s'évapore vers<p>l'atmosphère ambiante. L'objectif est de prédire le taux<p>d'évaporation dans cette configuration. Nous nous intéressons<p>successivement à la modélisation du transport de matière par<p>convection-diffusion en phase gazeuse et la modélisation de l'impact<p>de films liquides adsorbés à la paroi du capillaire sur le transport<p>de matière. Ces deux modèles sont confrontés à des expériences<p>d'évaporation en capillaires cylindriques visualisées à l'aide de<p>deux dispositifs optiques. Le premier offre un suivi d'ensemble au<p>cours du temps du capillaire, alors que le second, un interféromètre<p>de Mach-Zehnder, permet une visualisation locale de la région<p>entourant le ménisque.<p><p>Le modèle portant sur le transport de matière par<p>convection-diffusion mène à la définition d'un critère non<p>dimensionnel permettant d'évaluer si la convection dans la phase<p>gazeuse dans le capillaire doit être prise en compte pour évaluer le<p>taux d'évaporation. Le modèle de film permet de prédire l'impact de<p>celui-ci sur l'évaporation en présence d'un gaz inerte lorsque les<p>mouvements convectifs en phase gazeuse sont négligeables. La<p>confrontation de ce modèle avec les profils d'épaisseur des films<p>obtenus à l'aide de interféromètre de Mach-Zehnder ne permet pas de<p>valider le modèle, et ce, suite à une trop grande incertitude sur<p>l'évaluation des interactions entre la paroi et le liquide.<p><p>A l'échelle d'un grain, nous développons un modèle discret par<p>réseau de pores et deux modèles continus pour tenter de prédire le<p>taux d'évaporation et la distribution des phases dans le milieu<p>poreux. Le modèle par réseau de pores prend en compte les transports<p>de matière par diffusion en phase gazeuse, par convection dans les<p>pores remplis de liquide et par convection dans les films liquides.<p>Les effets visqueux en phase liquide sont également modelisés. Pour<p>la prise en compte de ces derniers, nous montrons l'importance de<p>l'usage d'un algorithme approprié. Nous évaluons ensuite au travers<p>de trois nombres sans dimensions l'impact du transport par film et<p>des effets visqueux sur l'évaporation et la distribution des phases.<p>Cette analyse dimensionnelle est ensuite appliquée à l'étude de<p>réseaux de pores pour lesquels la section des liaisons les<p>constituant est idéalisée par des polygones réguliers. Pour les<p>modèles continus après une vérification simplifiée de<p>l'applicabilité de cette démarche, nous développons deux modèles<p>simples. Dans les deux modèles, l'étape de séchage à vitesse<p>constante est supposée limitée par le transport de matière externe<p>au grain. Le premier modèle, dit à front pénétrant, suppose que<p>l'étape de séchage à vitesse décroissante correspond à l'existence<p>d'un front d'évaporation qui s'enfonce dans la matrice poreuse. Le<p>second modèle, dit à surface d'échange variable, attribue cette même<p>étape du séchage à une diminution progressive de la surface<p>d'évaporation en surface du grain.<p><p>A l'échelle du réacteur, nous présentons deux modèles visant à<p>simuler deux types d'essais différents :le séchage en lit fluidisé<p>et la thermogravimétrie analytique. Ces deux modèles sont couplés<p>aux différents modèles à l'échelle de grain pour étudier le séchage<p>de PVC et de levure tant en lit fluidisé que lors des essais de<p>thermogravimétrie analytique.<p><p>Dans le cas du PVC, le modèle par réseau de pores ne peut pas être<p>appliqué de par la nécessité d'une trop grande puissance de calcul.<p>Au niveau des modèles continus, nous montrons que l'application du<p>modèle à surface d'échange variable permet de reproduire les courbes<p>de séchage expérimentales des essais en lit fluidisé.<p><p>Dans le cas de la levure, nous appliquons le modèle par réseau de<p>pores et le modèle à front pénétrant. L'utilisation du modèle par<p>réseau de pores nécessite une connaissance plus détaillée de la<p>structure poreuse des grains. Le traitement d'une analyse par<p>microtomographie nous permet d'obtenir un réseau de pores<p>expérimental. Celui-ci est utilisé pour montrer que la méthode de<p>caractérisation de la porosité par intrusion de mercure ne semble<p>pas adaptée à un matériau deformable comme la levure. Le même réseau<p>est utilisé pour simuler le séchage de grains de levure à l'aide du<p>modèle par réseau de pores. Les simulations sont réalisées sur des<p>réseaux équivalents à des coupes dans le solide. Le modèle par<p>réseau de pores et le modèle à front pénétrant permettent tous deux<p>de modéliser correctement le séchage de levure en lit fluidisé<p>moyennant l'ajustement de leurs paramètres ajustables,<p>respectivement la conductibilité des films liquide et la tortuosité.<p>Pour l'essai de thermogravimétrie, ils ne parviennent à approcher<p>que la première étape de celui-ci. Les avantages, défauts et<p>complémentarités de ces deux modèles sont discutés.<p><p>Nous évaluons ensuite l'impact du rétrécissement de la levure et des<p>types d'eau sur le séchage de ce matériau. Le rétrécissement est,<p>pour ce faire, mesuré à l'aide d'un stéréomicroscope. Ces premières<p>mesures, exploratoires, mènent à la définition d'un modèle empirique<p>de retrait du solide au cours de son séchage. En le prenant en<p>compte dans les modèles déjà appliqués à la levure, nous montrons<p>que le retrait a un impact significatif sur l'étape de séchage à<p>vitesse décroissante. Cet impact<p> peut cependant être masqué intégralement par la réévaluation<p>des paramètres ajustables des différents modèles. Finalement,<p>l'étude des types d'eau au travers d'un modèle simple appliqué à<p>l'essai de thermogravimétrie analytique montre que les types d'eau<p>ne doivent pas être pris en compte pour modéliser le séchage de<p>levure.<p><p>A l'issue de ce travail, nous disposons donc de modèles fondamentaux<p>d'évaporation en milieu poreux. Ceux-ci peuvent être appliqués à des<p>cas d'intérêt industriel, comme nous le réalisons pour le PVC et la<p>levure. Ils peuvent servir à améliorer la<p>compréhension de ces procédés. Ils représentent donc des<p>outils de choix pour la conception, le dimensionnement et<p>l'optimisation du séchage. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le présent manuscrit contribue à l’étude des écoulements liquides dans des milieux poreux artificiels, plus spécifiquement dans les cas où la matrice poreuse présente des gradients de perméabilité importants, par exemple dans un milieu stratifié ou fracturé. Nous étudions l’influence de tels milieux poreux hétérogènes sur différents types d’écoulements. Ce travail est principalement expérimental, mettant en oeuvre une technique optique non-intrusive appelée effet Christiansen. Cette méthode permet de déterminer quantitativement des distributions soit de température, soit de concentration au sein d’un milieu poreux. <p><p>Trois problèmes physiques sont étudiés: tout d’abord le problème de Horton-Rodgers-Lapwood qui est l’équivalent du très connu problème de Rayleigh-Bénard mais pour un milieu poreux, ensuite les phénomènes de dispersion hydrodynamique que l’on rencontre dans des écoulements multiphasiques. Cette dispersion hydrodynamique est essentiellement envisagée comme un processus macroscopique de diffusion, renforcé par rapport à la diffusion moléculaire que l’on rencontre en milieu fluide libre. Enfin, le troisième problème englobe les écoulements capillaires en milieux poreux en environnement de pesanteur réduite. Dans le cas d’écoulements immiscibles multiphasiques, il faut prendre en considération l’effet de la tension superficielle aux interfaces. Comme les effets capillaires sont partiellement masqués par les effets de pesanteur durant des expériences au sol, une étude précise des effets de mouillage dans ces écoulements en milieu poreux nécessite de les découpler au maximum des autres effets physiques. Un programme de recherche en microgravité a été réalisé, et un nouveau modèle mathématique qui prend en compte l’influence des forces capillaires a été élaboré dans le cadre d’une collaboration entre le Service de Chimie-Physique et le Prof. N.N. Smirnov du Département de Mécanique et de Mathématique de l’Université d’Etat de Moscou.<p><p><p>La structure de ce travail part du Chapitre 1, qui présente essentiellement les milieux poreux et leurs spécificités. Ce dernier introduit le formalisme et les concepts nécessaires au traitement des trois problèmes de recherche envisagés. Le Chapitre 2 présente ensuite une étude bibliographique du problème de Horton-Rodgers-Lapwood et des phénomènes de dispersion hydrodynamique en milieux poreux. Le Chapitre 3 est consacré à l’effet Christiansen. Le Chapitre 4 présente les dispositifs de laboratoire mis au point, ainsi qu’une compilation des résultats expérimentaux obtenus. Les problèmes d’écoulements capillaires sont exposés au Chapitre 5, étant donné que la technique expérimentale est différente de celle basée sur l’effet Christiansen. Ce Chapitre compare le nouveau modèle mathématique aux résultats des expériences menées en microgravité durant de nombreuses campagnes de vols paraboliques. Le Chapitre 6 referme ce travail par ses conclusions et perspectives. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

CERNN / Neste trabalho, propõe-se o estudo numérico do escoamento de fluidos de lei de potência e Bingham junto à interface entre uma região livre e outra porosa (interface fluido-porosa) utilizando o método lattice Boltzmann. Para tanto, considera-se o escoamento entre placas planas e paralelas entre as quais se faz presente um meio poroso abordado de forma heterogênea (resolução espacial da ordem de grandeza dos poros), representado através de obstáculos sólidos quadrados uniformemente distribuídos na parte inferior do canal. As análises realizadas mostram o efeito dos diversos parâmetros adimensionais que descrevem o problema sobre o fator de atrito na região livre do canal. De um modo geral, constata-se que a discrepância entre os fatores de atrito na região livre do canal e para o escoamento entre placas planas e paralelas cresce com o aumento da porosidade e do número de Bingham e com as reduções do número de obstáculos que compõem o meio poroso, número de Reynolds e índice de lei de potência. Ademais, propõe-se a adaptação do modelo analítico para a representação da interface fluido- porosa para escoamento de fluido newtoniano proposto por Ochoa-Tapia e Whitaker (1995b) ao escoamento de fluido de lei de potência, verificando-se a possibilidade de incorporar o comportamento não newtoniano do fluido ao parâmetro empírico do modelo. / The goal of this work is to numerically investigate the flow of power law and Bingham fluids next to the interface between a free and a porous region (fluid-porous interface) using the lattice Boltzmann method. For this, the flow between parallel plates partially filled by a porous material is studied, with the porous medium being represented by a set of solid square obstacles uniformly distributed in lower half of the channel. Results show the influence of non-dimensional parameters in the free region friction factor. In geral, it is observed that the friction factor decreases when porosity or Bingham number are increased and number of obstacles, Reynolds number or power law index are lowered. Moreover, it is porposed the application of the fluid-porous interface model proposed by Ochoa-Tapia e Whitaker (1995b) to the flow of power law fluids by varying the stress jump coefficient with the power law index.

CERNN / Neste trabalho, propõe-se o estudo numérico do escoamento de fluidos de lei de potência e Bingham junto à interface entre uma região livre e outra porosa (interface fluido-porosa) utilizando o método lattice Boltzmann. Para tanto, considera-se o escoamento entre placas planas e paralelas entre as quais se faz presente um meio poroso abordado de forma heterogênea (resolução espacial da ordem de grandeza dos poros), representado através de obstáculos sólidos quadrados uniformemente distribuídos na parte inferior do canal. As análises realizadas mostram o efeito dos diversos parâmetros adimensionais que descrevem o problema sobre o fator de atrito na região livre do canal. De um modo geral, constata-se que a discrepância entre os fatores de atrito na região livre do canal e para o escoamento entre placas planas e paralelas cresce com o aumento da porosidade e do número de Bingham e com as reduções do número de obstáculos que compõem o meio poroso, número de Reynolds e índice de lei de potência. Ademais, propõe-se a adaptação do modelo analítico para a representação da interface fluido- porosa para escoamento de fluido newtoniano proposto por Ochoa-Tapia e Whitaker (1995b) ao escoamento de fluido de lei de potência, verificando-se a possibilidade de incorporar o comportamento não newtoniano do fluido ao parâmetro empírico do modelo. / The goal of this work is to numerically investigate the flow of power law and Bingham fluids next to the interface between a free and a porous region (fluid-porous interface) using the lattice Boltzmann method. For this, the flow between parallel plates partially filled by a porous material is studied, with the porous medium being represented by a set of solid square obstacles uniformly distributed in lower half of the channel. Results show the influence of non-dimensional parameters in the free region friction factor. In geral, it is observed that the friction factor decreases when porosity or Bingham number are increased and number of obstacles, Reynolds number or power law index are lowered. Moreover, it is porposed the application of the fluid-porous interface model proposed by Ochoa-Tapia e Whitaker (1995b) to the flow of power law fluids by varying the stress jump coefficient with the power law index.