Modélisation numérique d'écoulements de particules cohésives par la méthode des éléments discrets

Les écoulements de particules solides, présents dans différents types d'applications industrielles, présentent un comportement complexe et difficile à analyser. Dans le cadre des travaux effectués à l'unité de recherche sur les procédés d'écoulements industriels (URPEI), il a été constaté lors de certaines manipulations expérimentales dans un mélangeur rotatif qu'il est possible de contrôler la force cohésive présente entre des particules en enrobant ces dernières avec un certain type de polymère. En effet, il a été constaté que la force cohésive peut être augmentée soit par l'accroissement de l'épaisseur de polymère sur les particules, ou encore par l'augmentation de la température du lit de particules. Par ailleurs, une des manières permettant de mieux étudier les écoulements de particules solides est de procéder à des simulations informatiques, à l'aide de la méthode des éléments discrets (DEM). Cependant, le code informatique de l'URPEI, utilisant la DEM, ne permettait pas d'inclure de force cohésive entre les particules. L'objectif principal de ce projet était donc la modélisation numérique de l'écoulement de particules cohésives. Pour ce faire, des modèles de cohésion appropriés ont été sélectionnés pour la direction normale du contact, ainsi que pour la direction tangentielle. Le modèle JKR fut retenu pour la direction normale, ainsi que le modèle de Thornton pour la direction tangentielle. Ces deux modèles ont été introduits dans le code informatique de l'URPEI, développé en Fortran 90. Afin de s'assurer du bon fonctionnement du programme, onze tests de vérification ont été effectués. Ceux-ci, contenant une, deux ou cinq particules, ont permis de s'assurer de la validité des résultats obtenus pour des impacts dans la direction normale du contact. La force tangentielle n'a pas été considérée, car cela dépassait le cadre du projet. En outre, afin de procéder à des écoulements de particules cohésives et d'évaluer la précision les résultats, des tests d'angles de repos statiques et des tests d'écoulements dans un mélangeur rotatif ont été effectués. Dans un premier temps, il a été démontré que l'augmentation de la force cohésive entre les particules permet d'augmenter l'angle de repos, ce qui est en accord avec la littérature. Par ailleurs, concernant les tests d'écoulements dans le mélangeur rotatif, il a été démontré que l'accroissement de la force cohésive entre les particules permet la dilatation du lit de particules, due à l'augmentation de la porosité.

Abstract

Granular flows are present in various types of industrial applications and exhibit complex behaviors that are complex and difficult to analyze. In the context of the work carried out at the Research Unit on Industrial Flows (URPEI), it was discovered with some experiments in a rotating mixer that it is possible to control the cohesive force between particles by coating the latter with a certain type of polymer. Indeed, it was found that the cohesive force can be increased either by increasing the thickness of the polymer, or by increasing the temperature of the particle bed. In addition, one of the ways to study granular flows is to perform computer simulations using the discrete element method (DEM). However, the computer code based on the DEM and available at URPEI did not include the possibility to add cohesive forces between particles. The main objective of this project was the numerical modeling of cohesive granular flows. To perform this task, appropriate cohesive models were selected for the normal direction of the contact, as well as for the tangential direction. The JKR model was used for the normal direction, and the Thornton model for the tangential direction. Both models were introduced in the computer code available at URPEI and developed in Fortran 90. To ensure the proper functioning of the program, eleven verification tests were performed. These tests, containing one, two or five particles have ensured the validity of the results obtained for impacts in the normal direction of the contact. In addition, in order to simulate cohesive granular flows and to validate the results, static repose angle tests were conducted as well as cohesive flows in a rotating mixer. First, it was shown that an increase of the cohesive force between particles increases the repose angle, which is in agreement with the literature. Also, for the simulations in the rotating mixer, it was shown that increasing the cohesive force between the particles allows the expansion of the particle bed due to the increase of porosity.