Dynamics of Cylindrical Particles in a Rotating Drum Using Multiple Radioactive Particle Tracking

Les écoulements granulaires sont d'une grande importance par rapport à plusieurs domaines allant des sciences planétaires à la géophysique ainsi qu'à plusieurs industries telles que l'industrie métallurgique, des céramiques, chimique, alimentaire, des cosmétiques, du charbon et pharmaceutique. La fabrication, l'analyse des procédés et le contrôle des produits granulaires dépendent fortement d'une maitrise fondamentale des écoulements granulaires. Les régimes d'écoulements granulaires englobent les classes générales suivantes : quasi-statique, dense (écoulements liquides) et rapide (écoulements gazeux). Le régime dense est considéré comme le plus compliqué des trois classes et aussi le moins étudié dans la littérature comparé aux deux autres régimes. Le tambour rotatif représente l'équipement expérimental standard utilisé pour étudier l'écoulement granulaire dense. De plus, les tambours rotatifs possèdent plusieurs applications industrielles et sont utilisés dans plusieurs procédés (le mélangeage, la réduction de taille, le frittage, le chauffage, le refroidissement, le séchage ainsi que les réactions chimiques). Afin de réaliser le dimensionnement approprié des tambours rotatifs et d'ajuster les conditions opératoires optimales, il est essentiel d'étudier la phénoménologie intrinsèque à ce type d'équipement de manière fondamentale. Dans les procédés industriels, les tambours rotatifs fonctionnent dans le régime de roulement étant donné que ce régime assure un fort mélangeage des particules et un bon transfert de chaleur. Plusieurs études expérimentales ont été menées pour déterminer le régime d'écoulement régnant dans le tambour rotatif. Néanmoins, la majeure partie de ces recherches ont considéré des particules sphériques ou quasi-sphériques. Pourtant, l'étude des particules non sphériques est d'une très grande importance vu que les particules trouvées dans la nature et celles provenant des procédés de broyage sont de forme irrégulière. Aussi, les particules non sphériques ayant une forme spécifique (ellipsoïdale par exemple) ont plusieurs utilités. En outre, il est très important de mentionner que la forme des particules possède une influence majeure sur le régime d'écoulement. Ainsi, le présent travail a pour objectif d'étudier l'effet de la forme des particules sur la dynamique des écoulements granulaires. Afin d'y parvenir, des particules cylindriques ont été considérées pour deux principales raisons. Premièrement, il existe plusieurs applications industrielles qui utilisent des particules cylindriques comme les capsules et les pastilles. vii Deuxièmement, la forme des particules étudiées doit être facilement identifiable et distincte d'une sphère pour pouvoir tirer une bonne conclusion sur l'effet de la forme des particules sur le régime d'écoulement granulaire. À ce titre, le cylindre représente l'une des formes curvilignes les plus basiques. Ainsi, plusieurs autres formes comprenant celles ayant un facteur de forme élevé, peuvent être approchées par la forme cylindrique. Plusieurs techniques de mesure non intrusives comme les méthodes optiques et radioactives ont été utilisées pour étudier l'écoulement granulaire dans un tambour rotatif. Comme la matière particulaire est opaque, les techniques optiques sont limitées à l'observation au niveau des écoulements surfaciques. Par contre, les techniques de mesure radioactives sont plus adaptées pour fournir des informations sur l'intérieur du lit de particules. En effet, les rayons gamma ont la particularité de traverser la matière avec une grande facilité. La technique de suivi de particules radioactives (RPT) est l'une des techniques appropriées pour cette étude. Cependant, la RPT est limitée au suivi de la position d'un seul traceur à la fois. Étant donné que des particules de forme cylindrique présentent le cas d'étude, il est essentiel de trouver une technique de mesure permettant de repérer la position ainsi que l'orientation d'une particule de manière simultanée. Ainsi, la première partie de cette thèse introduit une technique de suivi d'une multitude de particules radioactives (MRPT) qui permet de déterminer la trajectoire de deux traceurs en mouvement dans le système. Ces derniers peuvent être libres ou attachés à la même particule. L'exactitude (<5 mm) et la précision (<5 mm) des mesures obtenues par la technique proposée ont été évalués en suivant deux traceurs immobiles et deux traceurs en mouvement. Les résultats obtenus démontrent la fiabilité et la validité de la MRPT lorsque les deux traceurs possèdent le même isotope et lorsque la distance entre ces deux traceurs n'est pas très petite (>2 cm). Le suivi de deux traceurs fixés aux deux extrémités d'une particule cylindrique dans un tambour rotatif est également étudié afin d'illustrer le potentiel de cette méthode de caractérisation. La deuxième partie de cette thèse présente la comparaison entre l'écoulement de particules cylindriques (2 cm de longueur et 6 mm de diamètre) et l'écoulement de particules sphériques (6 mm de diamètre). Cette comparaison est réalisée à l'aide de la MRPT afin de détecter la position et l'orientation des particules cylindriques de manière simultanée. Deux composantes principales de la dynamique de l'écoulement transversal ont été analysées. La première est la frontière entre viii la couche active et la couche passive. La deuxième est le profil de vitesse sur la surface libre en régime de roulement (7,5 à 15 tours/min pour les particules cylindriques dans les conditions de cette étude). La dynamique de l'écoulement des particules cylindriques est différente de manière significative de celle des particules sphériques. Pour la première fois, l'orientation des particules cylindriques à l'intérieur du lit a été mesurée. Les résultats confirment l'existence d'une orientation spatiale préférentielle pour les particules cylindriques dans la couche active (elle correspond à une déviation d'environ 25° de l'angle de repos dynamique). Il a également été démontré que cette orientation spatiale préférentielle n'est pas sensible à la vitesse de rotation du tambour. Ainsi, pour les particules cylindriques, la dilatation du lit de particules était constante (environ 25%) pour toutes les vitesses de rotation, alors qu'elle était d'environ 1% pour les particules sphériques. Aussi, les profils de vitesse obtenus pour la surface libre des particules cylindriques montrent une forme asymétrique (le pic du profil de vitesse est situé à 70% de la longueur de la surface libre). En ce qui concerne les particules sphériques, les profils de vitesse démontrent une forme symétrique (le pic du profil de vitesse est situé à 50% de la longueur de la surface libre). Pour la première fois pour des particules cylindriques, deux modèles généraux ont été proposés pour calculer le profil de vitesse à la surface libre ainsi que la taille effective des particules dans les couches active et passive. Finalement, la troisième partie de ce projet doctoral présente une analyse plus poussée des données obtenues dans les deux parties précédentes à l'aide de la MRPT et de la RPT. Les équations de mouvement pour les particules sphériques et cylindriques dans les couches active et passive ont été obtenues. En outre, les équations des lignes de courbe représentant le point d'inflexion de la vitesse ainsi que les équations du yield ont été développées. L'utilisation potentielle de ces équations de mouvement a été illustrée à l'aide des simulations numériques considérant l'effet de l'advection sur la qualité de mélangeage des particules sphériques et cylindriques.

Abstract

Granular flows are important in a wide range of fields, ranging from planetary science to geophysics, and industries such as metallurgy, ceramics, chemicals, food, cosmetics, coal and pharmaceuticals. The manufacturing, processing, and control of granular products depend on a fundamental understanding of the granular flows. The quasi-static, dense (liquid) and fast (gaseous) flow regimes are general granular flow regimes. Of these, the dense granular flow regime is the most complicated, and the one with the least investigation. The rotating drum is one of the standard experimental systems for studying the dense granular flow regime. In addition, rotating drums have many industrial applications, and are used in a great variety of processes (mixing, size reduction, sintering, coating, heating, cooling, drying, and reaction). To design and operate rotating drums optimally, it is essential to study the phenomena that occur inside such devices on a fundamental level. In industrial operations, rotating drums mainly use the rolling regime, which provides superior solid mixing and heat transfer. Many experimental studies have been conducted to obtain the flow behavior of particles inside a rotating drum, though a majority of them used spherical or nearly spherical particles. However, an investigation of non-spherical particles is very important because natural or crushed particles usually have an irregular shape, non-spherical particles with certain shapes have many usages, and more importantly, particle shape greatly affects the flow behaviour. Therefore, this work aims to study of the effect of particle shape on flow dynamics. To do so, the cylinder was chosen as the particle shape for two main reasons. Firstly, there are lots of industrial applications for cylindrical particles, such as capsules, candies, biomass pellets, etc. Secondly, to be able to identify the effect of particle shape on flow behaviour, the shape should be readily identified, and distinct from a sphere. The cylinder is one the most basic curvilinear geometric shapes, and many other curvilinear shapes, especially those with a high aspect ratio, can be approximated as a cylinder. Many nonintrusive techniques have been used to study granular flow in a rotating drum, including optical methods and radioactive techniques. Since particulate matter is principally opaque, optical methods are essentially limited to surface flow. Conversely, radioactive x techniques are well suited for providing information about inside the bed in such systems, because gamma rays can penetrate relatively easily through materials. Radioactive particle tracking (RPT) is one suitable measurement techniques for this investigation. However, RPT is limited to tracking the position of a single tracer. As cylindrical particles are used for this study, it is essential to employ a measurement technique capable of simultaneously tracking the position and orientation of a cylindrical particle. The first part of this thesis introduces a multiple radioactive particle tracking technique (MRPT) that can determine the trajectory of two free or restricted moving tracers in a system (attached to the same particle). The accuracy (<5 mm) and precision (<5 mm) of the proposed technique is evaluated by tracking two stationary tracers and two moving tracers. The results confirm the reliability and validity of the MRPT technique when the two tracers have the same isotope and the distance between them is not too small (>2 cm). The tracking of two sticking tracers at the two ends of a cylindrical particle in a rotating drum is also considered to illustrate the potential of this characterization method. In the second part of this thesis, we compare the flow behavior of cylindrical (2 cm long and 6 mm in diameter) and spherical (6 mm in diameter) particles using the multiple radioactive particle tracking (MRPT) technique to capture the positions and orientations of cylindrical particles simultaneously. We analyzed two important components of the transverse flow dynamic, namely, the boundary between the active and passive layers and the velocity profile on the free surface, in the rolling regime (7.5-15 RPM for cylindrical particles under the conditions of this study). For the first time, we measured the orientation of cylindrical particles inside the bed. The results confirm the existence of a preferred spatial orientation (about a 25-degree deviation from the dynamic repose angle) for cylindrical particles in the active layer. The results show that the spatial orientation of cylindrical particles within the bed are insensitive to the rotational speed of the drum. Therefore, for cylindrical particles at all rotational speeds, bed dilation was constant (about 25%), while the bed dilation of spherical particles is about 1%. Velocity profiles on the free surface for cylindrical particles show an asymmetrical shape (the peak of velocity profile is located at 70% of the free surface length) while that of spherical particles is symmetrical; (the peak of velocity profile is located at 50% of the free surface length). For the first time, two general models are proposed to calculate the velocity profiles for xi cylindrical particles on the free surface and the effective particle sizes in the active and passive layers. Finally, the third part of this thesis presents a further analysis of the data obtained by the MRPT and RPT techniques in the previous part. We obtain the equations of motion for cylindrical and spherical particles in the active and passive layers, as well as equations of the yield and turning point curve lines. Using numerical simulation, the effect of advection on the quality of mixing for both cylindrical and spherical particles is also considered to illustrate the potential use of these equations of motion.