Modélisation multiphysique des transferts de masse et de chaleur dans un milieu poreux déformable non saturé : application à la cuisson du pain

par Vincent Nicolas

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur. Énergétique

Sous la direction de Patrick Glouannec et de Patrick Salagnac.

Soutenue en 2012

à Lorient , dans le cadre de École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (2007-2016) (autre partenaire) .

mots clés

• Aliments -- Cuisson -- Modèles mathématiques -- Thèses et écrits académiques
• Pâte à pain -- Thèses et écrits académiques
• Transfert de chaleur -- Modèles mathématiques -- Thèses et écrits académiques
• Transfert de masse -- Modèles mathématiques -- Thèses et écrits académiques
• Matériaux poreux -- Propriétés thermiques -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Ces études concernent l’amélioration de l’efficacité énergétique des fours de boulangerie utilisés pour la cuisson de baguette « traditionnelle ». Au cours de la cuisson, la pâte fermentée se transforme en mie avec des modifications importantes du milieu. Les apports de chaleur induisent différentes réactions physico-chimiques au sein de la pâte (production de C02, gélatinisation) qui se traduisent par une évolution de la structure alvéolaire et des mécanismes physiques. Puis on assiste en périphérie à la formation de croute. Les travaux ont porté sur le développement et la validation d’un modèle macroscopique multiphysique capable de prédire le comportement transitoire du produit de l’état de pâte à celui de mie et de croûte. On s’est en particulier intéressé à la cuisson sur sole de baguettes. Le produit est alors soumis à des apports de chaleur par conduction directe, convection et rayonnement infrarouge. Une injection de vapeur est en plus réalisée à l’enfournement de la pâte. Les variables d’état retenues sont la température, la teneur en eau, la pression de gaz, la fraction de gaz et le déplacement. Les propriétés utilisées sont dépendantes des variables d’états et de la structure du produit. Ces études numériques sont confortées par l’exploitation de mesures expérimentales réalisées sur un four instrumenté. L’analyse des évolutions des variables d’état montre la nécessité de disposer d’une bonne base de données sur les propriétés macroscopiques du produit lors de sa transformation. Dans la dernière partie de cette étude, le modèle numérique est utilisé afin d’étudier différentes approches possibles d’amélioration de l’efficacité énergétique: diminution des températures du four, exploitation de nouveaux modes de chauffage.

Titre traduit

Multiphysics modeling of heat and mass transfer in deformable unsatured porous media : application to bread baking

Résumé

These studies relate to improving the energy efficiency of bakery ovens used for baking bread. During baking, the dough becomes crumb with significant changes in the media. Heat transfer induce different physico-chemical reactions in the dough which result in a change of the cellular structure and physical mechanisms. Then crust is created in the external part. The work focused on the development and validation of a multiphysic macroscopic model capable of predicting the transient behavior of the product. We were particularly interested in the baking bread on sole. The product is then subjected to heat transfer by conduction, convection and infrared irradiation. Steam injection is performed at the dough introduction in the oven. The state variables used are the temperature, the water content, the gas pressure, the gas fraction and the displacement. The properties used are dependent with the state variables and product structure. The numerical model is solved by a finit element method (Comsol Multiphysics ®). These numerical studies are supported by the use of experimental measurements performed on instrumented oven. The analysis of the evolution of state variables shows the need to have a good database on the macroscopic properties of the product during processing. In the last part of this study, the numerical model is used to study different approaches for improving energy efficiency: lower oven temperatures, use of new modes of heating.