Experimental and numerical approaches to particles dispersion in a turbulent flow : application to dust explosions

par Carlos Murillo

Thèse de doctorat en Génie des procédés et des produits

Sous la direction de Olivier Dufaud.

Soutenue le 26-05-2016

à l'Université de Lorraine , dans le cadre de RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement , en partenariat avec Laboratoire réactions et génie des procédés (laboratoire) et de Laboratoire Réactions et Génie des Procédés / LRGP (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Marc Commenge.

Le jury était composé de Nathalie Bardin-Monnier, Jean-Claude Latché.

Les rapporteurs étaient Pawel Kosinski, Jérôme Morchain.

  • Titre traduit

    Approches expérimentale et numérique de la dispersion de particules dans un écoulement turbulent : application aux explosions de poussières


  • Résumé

    Les caractéristiques d’un nuage de poussières avant l’activation de la source d’inflammation ont une grande influence sur la sensibilité et la sévérité de son explosion. Pour cette raison, le procédé de dispersion d’une poussière combustible qui se développe à l’intérieur des chambres d’explosion standardisés telles que le tube de Hartmann modifié et la sphère 20 L a été décrit par deux approches complémentaires. Dans un premier temps, une caractérisation expérimentale de l’évolution du nuage de poussière a identifié les niveaux de turbulence de l’écoulement de gaz, ainsi que les principales variations de la distribution de la taille des particules combustibles. Ces résultats ont été complétés par l’identification des niveaux de ségrégation de la poudre dispersée à l’intérieur des chambres d’explosion. Par la suite, une série de simulations CFD basée sur une approche Euler-Lagrange a été développée pour prédire le comportement du nuage. Cette étude a été réalisée grâce à la caractérisation des principaux mécanismes d’interaction tels que le transfert de quantité de mouvement (couplage bidirectionnel) et le phénomène de fragmentation des poudres. Deux types de particules microniques ont été spécifiquement étudiés : une poussière métallique, l’aluminium et un composé organique, l’amidon de blé. Ces résultats ont démontré qu’il est possible de définir ab initio, par simulation numérique, les conditions de tests les plus pertinentes (les plus réalistes ou les plus pénalisantes) en vue de la quantification de ces risques majeurs


  • Résumé

    The pre-ignition stage of an explosibility test determines the ignitability of a dust cloud as well as the main characteristics of the flame propagation. For this reason, the dispersion process of a combustible dust that develops inside the explosion chambers of the modified Hartmann tube and the 20 L sphere has been described by two complementary approaches. Initially, an experimental characterization of the evolution of the dust cloud identified the evolution of the turbulence levels of the gas flow along with the main variations of the particle size distribution of the combustible dust. These results were complemented by the identification of the segregation levels of the dispersed powder inside the explosion chambers. Thereafter, a set of CFD simulations based on the Euler-Lagrange formulation was developed to predict the behavior of the combustible dust cloud. This study was accomplished through the characterization of the main interaction mechanisms such as the momentum exchange (two-way coupling) and the dust fragmentation phenomenon. In this manner, the research work constituted for this thesis allowed determining the most appropriate conditions to ignite a dust cloud formed by a metallic (Aluminum micro-Al 42) or organic powders (wheat starch) in a case study. Thus, this research work presents a methodology that can be extended for the analyses of combustible dusts and the further development of the standard test methods


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