Numerical study of particle transport and deposition in porous media

par Jianhua Fan

Thèse de doctorat en Génie Civil

Sous la direction de Mustapha Hellou.

Soutenue le 29-03-2018

à Rennes, INSA , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences pour l'ingénieur (Rennes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (Comue) , China scholarship council (fondation) et de Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM) (laboratoire) .

Le président du jury était Azita Ahmadi.

Le jury était composé de Mustapha Hellou, Azita Ahmadi, Anthony Beaudoin, Nicolas Lecoq, Dominique Heitz, Huaqing WANG, Juan Martinez, Franck Lominé.

Les rapporteurs étaient Anthony Beaudoin.

  • Titre traduit

    Etude numérique du transport et du dépôt de particules dans les milieux poreux


  • Résumé

    L'objectif de ce travail de recherche est d'étudier numériquement le transport et le dépôt de particules dans des milieux poreux à l'échelle des pores.Premièrement, un couplage entre la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) et la méthode des éléments discrets (DEM) est réalisé et utilisé pour simuler l'écoulement d'un fluide chargé en particules. La LBM est utilisée pour décrire l'écoulement du fluide autour des fibres tandis que la DEM est utilisée pour traiter la dynamique des particules. Ce couplage est bidirectionnel dans le sens où le mouvement des particules affecte le flux de fluide et réciproquement. Ce modèle nous a permis de prédire l'efficacité de capture et la chute de pression à l'étape initiale du processus de filtration. Le facteur de qualité est également calculé pour déterminer la qualité de filtration.Ensuite, on se focalise sur l'étude de l'efficacité de la capture de fibres de formes de section transversale différentes (circulaire, losange et carrée). Les résultats issus de nos simulations du processus de filtration de la fibre circulaire concordent bien avec les corrélations empiriques. L'impaction des particules sur la face avant de la fibre de forme carrée est plus importante que dans les cas de fibre de formes circulaire et losange. Cependant, en raison d'une chute de pression plus faible, la fibre de section losange présente une meilleure qualité de filtration. Ensuite, les variations du facteur de qualité dues à l'angle d'orientation et au rapport d'aspect des fibres ont été étudiées numériquement pour la forme rectangulaire. Pour chaque cas, on a déterminé la valeur optimale de la zone au vent pour laquelle le facteur de qualité est maximal. La comparaison des valeurs du facteur de qualité obtenues pour les différentes formes de fibre monte une meilleure performance pour la fibre de section carrée orientée avec un angle de π/4.Enfin, l'influence de l'arrangement des fibres sur la qualité de la filtration est analysée en considérant la configuration en quinconce pour les différentes formes. Les simulations conduites pour différentes tailles de particules et différentes valeurs de la densité (particule/air) montent que la fibre de section losange est plus performante en termes de facteur de qualité pour les particules de grande taille et pour les valeurs de densité élevée. La présente étude fournit des pistes pour optimiser le processus de filtration et prédire la qualité de filtration.


  • Résumé

    The objective of the present research was to numerically investigate the transport and deposition of particles in porous media at the pore scale. Firstly, a developed coupled lattice Boltzmann method (LBM) and discrete element method (DEM) is used to simulate the fluid-particle flow. LBM is employed to describe the fluid flow around fibers whereas DEM is used to deal with the particle dynamics. The corresponding method is two-way coupling in the sense that particle motion affects the fluid flow and reciprocally. It allowed us to predict the capture efficiency and pressure drop at the initial stage of filtration process. The quality factor is also calculated for determining the filtration performance. Secondly, we focus on the study the capture efficiency of single fiber with circular, diamond and square cross-section, respectively. The results of LBM-DEM for filtration process of single circular fiber agree well with the empirical correlation. The impaction of particles on the front side of square-shaped fiber is more favorable than those on circular and diamond cases. However, diamond fiber exhibits a good filtration performance. Then the variations of quality factor due to the different orientation angle and aspect ratio of rectangular fiber were studied using LBM-DEM. For each case, we have found the optimal value of the windward area to which corresponds a maximum value of the quality factor. The comparison of the performance of the different forms of fibers shows that the largest quality factor is obtained for square fiber oriented with angle π/4.Finally, the influence of the arrangement of fiber on filtration performance is analyzed by considering the staggered configuration. Simulations conducted for several particle size and density show that the diamond with staggered array performs better for large particles and high particle-to-fluid density ratio in terms of quality factor. The present study provide an insight to optimize the filtration process and predict filtration performance.


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