Development of a Robust Eulerian-Lagrangian Model for Process Intensification of Gas Fluidized and Spouted Beds

L’existence des écoulements multiphasiques, en particulier les écoulements solide-fluides, dans plusieurs applications industrielles, a conduit les chercheurs à investir beaucoup de temps pour comprendre les phénomènes sous-jacents qui régissent le comportement physique de ces écoulements. En génie chimique, les processus les plus connus impliquant de tels écoulements sont les lits fluidisés et les lits à jets, qui restent prévalents dans l’industrie en raison de leurs propriétés améliorées de transfert de masse et de chaleur. Cependant, ces lits sont complexes à concevoir et à exploiter. Plusieurs études ont été menées pour permettre une conception améliorée et efficace de ces lits, dont beaucoup sont des expériences utilisant des techniques invasives ou non invasives. Néanmoins, les expériences présentent plusieurs limitations, telles que leur coût élevé et le temps nécessaire, ce qui les rend moins efficaces. C’est là que les méthodes numériques jouent un rôle en surmontant les limites des expériences, même si les expériences restent importantes pour la validation des modèles computationnels. Parmi ces méthodes, le modèle à deux fluides (TFM), qui est une approche eulérienne-eulérienne, est capable de modéliser les écoulements multiphasiques, mais sa précision est limitée puisqu’il traite les particules comme un continuum. Une autre approche, l’approche eulérienne-lagrangienne, implique l’application de la dynamique des fluides numérique (CFD) couplée à la méthode des éléments discrets (DEM). Cette méthode est de plus en plus utilisée comme elle simule les écoulements solide-fluide avec une meilleure précision. Néanmoins, elle présente plusieurs limitations, en particulier en termes de temps de calcul, ce qui rend la CFD-DEM inefficace pour la simulation de systèmes industriels de très grande taille. Dans cette thèse, un modèle CFD-DEM à éléments finis d’ordre élevé est développé pour modéliser la fluidisation de particules solides dans des lits fluidisés et des lits à jets. Le modèle permet de prédire tous les régimes, depuis les écoulements laminaires à faibles nombres de Reynolds jusqu’aux écoulements turbulents à nombres de Reynolds élevés. Il permet une meilleure compréhension du comportement de fluidisation des particules et aborde plusieurs des limitations de la CFD-DEM, notamment les schémas de projection des particules sur la grille de la CFD et la limite du ratio entre la taille des particules et la taille des cellules.