Ce travail s’inscrit dans le projet LORVER, soutenu par la Région Grand Est et le FEDER. Il est destiné à créer une filière de production de biomasse végétale non alimentaire par valorisation de sites dégradés et de sous-produits industriels, en Lorraine. Un des procédés de valorisation de la biomasse produite est un procédé thermochimique de pyro-gazéification qui générerait de la chaleur et de l’électricité. Ce procédé, développé par SEA Marconi, se compose de trois réacteurs différents : un tambour tournant, pour la pyrolyse de particules de bois, la chaleur étant amenée par des billes d’acier chauffées ; un réacteur à vis sans fin pour l’oxydation du char qui permet de réchauffer les billes d’acier ; un réacteur de craquage des goudrons. L’objectif de cette thèse est de réaliser des modèles qui puissent permettre d’avoir une prédiction adaptée du comportement du système. Des modèles 3D du type DEM et CFD-DEM ont été conçus pour la modélisation des phénomènes qui interviennent dans le système. Les paramètres du modèle DEM ont été calibrés dans un tambour tournant de laboratoire. Pour le réacteur de pyrolyse, la simulation DEM a permis de prédire de façon satisfaisante la ségrégation pour des mélanges de billes d’acier et de particules non sphériques de bois, et de concevoir un modèle thermique et chimique 1D, sur lequel une étude de sensibilité a été effectuée. Un modèle CFD-DEM a été codé et validé sur un rhéomètre granulaire, permettant la simulation du réacteur d’oxydation partielle du char, qui n’a pas pu être réalisé dans le cadre de cette thèse / This work is part of the LORVER project, funded by Grand Est Région and FEDER. It aims to create a non-food biomass production chain by using and upgrading brownfields and industrial by-products in Lorraine. One possible valorization process of the produced biomass is a thermochemical pyro-gasification process that would generate heat and electricity. This process, developed by SEA Marconi, involves three different reactors: a rotating drum, for the pyrolysis of wood particles, the heat required being brought by hot steel balls; an Auger for partial oxidation of the char that allows heating the steel balls; a reactor for tar cracking. The aim of this thesis is to develop models that can predict the behavior of the system. 3D models based on DEM or CFD - DEM were designed for the modeling of phenomena involved in the system. The DEM model parameters were first calibrated in a rotating drum. The DEM simulation was able to predict in a satisfactory manner segregation between steel balls and non-spherical wood particles; it also helped to design a 1D thermal and chemical model, on which a sensitivity study has been done. A CFD - DEM model has been coded and validated on a granular rheometer allowing the simulation of the char oxidation reactor, even if this simulation was not possible during the PhD

La problématique de l’homogénéité de traitement mécanique et thermique d’un lit particulaire bi-disperse en tailles ou en densités dans un tambour tournant horizontal a été abordée. Dans la première partie, le mélange des billes sphériques millimétriques dans un tambour de type ‘tranche’ a été observé expérimentalement à l’aide des maquettes originales et simulé numériquement à l’aide d’un code commercial de type DEM. En ajustant le coefficient de frottement entre les billes, un accord satisfaisant a été obtenu entre les résultats des simulations et des expériences. Le lit a été globalement caractérisé par l’indice de ségrégation radial, la répartition des billes dans la couche frontale et l’angle de talus dynamique. Des phénomènes importants de ségrégation radiale et axiale ont été mis en évidence. Une réduction très significative de l’indice de ségrégation radiale a été obtenue dans le cas des ailettes multiples et longues par rapport au cas avec peu d’ailettes courtes ou pas d’ailettes. Dans la deuxième partie, le chauffage des billes par contact avec la paroi périphérique du tambour a été simulé par la méthode DEM. Des lits mono-disperse, bi-disperse (comme dans la partie 1), et à dispersion gaussienne ont été considérés. Les indices de ségrégation mécanique et thermique ont été comparés pour les différents types de lits et différentes configurations d’ailettes. L’intensité de la ségrégation thermique a été renforcée, dans l’ensemble, par la ségrégation mécanique et a été la plus forte pour le lit bi-disperses en densités. L’augmentation de la hauteur et du nombre des ailettes a considérablement amélioré l’homogénéité thermique du lit et la vitesse globale de chauffage / Product homogeneity issue during mechanical and thermal processing of a bi-dispersed bed with two particles’ sizes or two particles’ densities in a horizontal rotary drum was considered. In the first part, the mixing of milli-metric size spherical beads in a two-dimensional drum was simulated by means of a commercial discrete element software and optically observed in a specially designed laboratory scale device. The spatial distribution of the particles in the front bed section, the radial mechanical segregation index and the dynamic slope angle were analyzed. After adjusting the friction coefficient, the simulation results were close to the experimental ones. Important phenomena of radial and axial segregation have been highlighted. The radial segregation index was found to be significantly decreased by applying an important number of long baffles, while using few short baffles had practically no influence on segregation intensity. In the second part, the heating of the bed of spherical beads in a 2D drum with hot peripheral wall was simulated by means of the discrete element software. Mono-dispersed, gaussian-dispersed and bi-dispersed beds (same as in part 1) were considered. The mechanical segregation and the thermal segregation indexes were calculated for the different types of bed and for different baffles configurations. The thermal segregation was found to be generally enhanced by the mechanical segregation and reached its highest values for the bi-density bed. Increasing the number and the length of the baffles considerably improved the overall heating rate and the thermal homogeneity of the considered beds

La rhéologie et les lois de comportement des écoulements granulaires font l'objet de nombreuses recherches, aussi bien expérimentales que théoriques. Des études d'écoulements continus de billes en tambour tournant ont mis en évidence que le gradient de vitesse dans la zone à écoulement libre est constant. Nous avons testé expérimentalement la validité de cette expression du gradient de vitesse pour des gammes de paramètres de fonctionnement beaucoup plus larges que celles utilisées jusqu'à présent. Pour de faibles vitesses de rotation du tambour, nous avons montré que les angles d'avalanche et de repos peuvent être homothétiques dans la mesure où les particules sont comparables en terme distribution granulométrique et de morphologie. A plus forte vitesse de rotation, des mesures systématiques d'épaisseur de zone d'écoulement et d'angle d'écoulement ont permis de mettre en évidence différentes transitions de régime. Quand la taille des particules d est grande par rapport à la taille du tambour D (rapport D/d faible), on constate que l'épaisseur de la zone d'écoulement sature à environ 1/3 du rayon du tambour. Dans ce cas, une augmentation de la vitesse de rotation du tambour est accommodée par une augmentation du gradient de vitesse. Dans des systèmes à rapport D/d élevé, on constate que c'est la vitesse maximale des particules à la surface libre qui sature avant l'épaisseur en écoulement. Dans ces conditions, une augmentation de la vitesse de rotation du tambour est accommodée par une augmentation de l'épaisseur, ce qui entraîne une réduction du gradient de vitesse. Ainsi les limites du domaine de validité d'un gradient de vitesse constant ont été définies : la relation est valable tant que ni l'épaisseur en écoulement ni la vitesse maximale des particules ne saturent. Enfin, dans une dernière partie, des expériences de ségrégation ont été réalisées dans le but de mettre en rapport les épaisseurs en écoulement et les vitesses de ségrégation de grosses billes de verre placées dans un milieu de petites billes de même densité.

Ce travail est dédié à la simulation numérique des milieux granulaires denses dont les interaction sont régies par des lois de contact frottant. L'approche utilisée est la méthode "Non Smooth Contact Dynamics" qui traite le contact sans régularisation numérique et utilise un algorithme de type Gauss-Seidel. Pour diminuer le temps nécessaire aux simulations, et mener des études paramétriques fines, nous avons procédé à plusieurs types d'optimisation numérique portant, dans un premier temps, sur la mise en oeuvre de différents types d'implémentation exploitant ou non le calcul parallèle (optimisation informatique) puis, dans un second temps, sur le développement d'un algorithme de type Gradient Conjugué (optimisation algorithmique). Ces différentes stratégies se révèlent très efficaces nous permettant de simuler plus rapidement des problèmes bi et tridimensionnels. Deux applications pointant sur la diversité de comportement des milieux granulaires (liquide/solide) ont été abordées: une étude numérique sur les écoulements en tambour tournant venant compléter des résultats expérimentaux et une étude de mouvements tectoniques par éléments discrets permettant de porter un nouveau regard sur les expériences analogiques en "boîtes à sable" effectuées en géophysique.