Développement d'un outil de simulation numérique CFD prédictif et d'une base de données Open Data pour des procédés innovants de conversion de biomasse en biocarburants

par Hermes Scandelli

Projet de thèse en Mécanique des fluides

Sous la direction de Azita Ahmadi.

Thèses en préparation à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur , en partenariat avec I2M Institut de Mécanique et d'Ingénierie (laboratoire) et de École nationale supérieure d'arts et métiers (établissement de préparation de la thèse) depuis le 10-09-2019 .


  • Résumé

    Dans la communauté spatiale, un modèle générique détaillé a été développé par Jean Lachaud pour modéliser les milieux poreux réactifs soumis à un haut flux de chaleur sous l'hypothèse d'équilibre thermique local [2]. L'outil de simulation qui en découle a été rendu disponible dans le code Open Source PATO (Porous material Analysis Toolbox based on OpenFoam (PATO), https://software.nasa.gov/software/ARC-16680-1A). PATO est un logiciel volumes finis basé sur une extension des équations de Navier-Stokes en milieux poreux par prise de moyenne volumique et utilisant une résolution implicite pour chaque équation de conservation (masse de gaz, masse du solide, espèces chimiques, moment, énergie). Il est principalement utilisé par la NASA, l'ESA, ArianeGroup et l'Institut von Karman de Dynamique des Fluides comme logiciel de recherche et d'analyse de données en vol. Il est également utilisé pour le dimensionnement du bouclier thermique de la mission Mars 2020 de la NASA. Les modèles physiques détaillés du logiciel PATO s'avèrent être plus avancés que ceux de ses homologues dans des domaines d'application comparables (conversion de la biomasse, sécurité incendie) [1]. Cependant, pour l'application à la biomasse, la nécessité de prédire avec précision les molécules produites demandent des développements supplémentaires en modélisation, implémentation numérique et caractérisation expérimentale. Notamment le déséquilibre thermique existant entre le solide et le gaz ne peut pas être négligé, car l'évolution chimique du gaz dépend exponentiellement de sa température. Dans ce cadre, en s'appuyant sur des études précédentes dans le domaine des matériaux poreux réactifs [1,2] et des échanges thermiques hétérogènes [3], l'objectif sera de développer un modèle multi-physique générique prenant en compte le déséquilibre thermique. Pour guider la modélisation, on utilisera la simulation numérique directe sur des images digitalisées 3D obtenues par micro-tomographie de milieux fibreux modèles et de bois. Pour la validation, les coefficients d'échanges thermiques effectifs dans un milieu fibreux modèle et dans le bois seront mesurés grâce à un banc expérimental en développement à I2M, en prolongement du projet Marie Curie PATO (Projet Européen ENSAM pour l'accueil de Jean Lachaud à l'I2M en Jan. 2018) . [1] J. Lachaud et T. Magin, Editeurs, von Karman Institute Lecture Series, Pyrolysis Phenomena in Porous

  • Titre traduit

    Development of a predictive CFD simulation toolbox and of an “Open Data” database in support of innovation for processes of biomass conversion into biofuels


  • Résumé

    Numerous technologies in development rely on porous materials: heat exchangers for solar concentrators, biofuel production processes, new generation energy storage as fuel cells and supercapacitors, space vehicle heat shields, etc. Chemical engineers and researchers at the forefront of their own fields and leading 21st century innovation would greatly benefit from fundamental developments in heat and mass transfer to reinforce application-specific phenomenological models. The contribution of this PhD project will be to develop a generic numerical framework to assess and model heat exchanges between the solid structure of a porous material and fluid flowing through the network of pores. The primary application targeted will be the thermal conversion of biomass into biofuel. The study will fall into 3 interrelated tasks relying on a multi-scale approach. (1) Laboratory experiments will be undertaken to measure average heat exchange coefficients (2) Direct numerical simulations will be carried out at the microscopic scale on digitalized images to analyze and model heat exchanges between solid and fluid phases. (3) High order homogenization techniques will be used to develop macroscopic scale two temperature models. Effective heat exchange coefficients models will be developed based on experimental and numerical analyses on a wide range of Reynolds and Péclet numbers. Finally, a verified numerical simulation tool implementing the microscopic and macroscopic models will be made available to impact the 21st century industrial challenges. The simulation tool will allow computing heat exchanges within the pores from three-dimensional tomography images. This advanced capability will be integrated in the Porous material Analysis Toolbox based on OpenFoam (PATO) released open source by NASA (https://software.nasa.gov/software/ARC-16680-1A).