Couplage entre le transport d'un soluté, la pression osmotique et les instabilités hydrodynamiques dans la configuration de Taylor-Couette : application aux procédés de filtration membranaires

Coupling of solute transport, osmotic pressure and hydrodynamic instabilities in Taylor-Couette configuration : application for filtration processes

• Auteur / Autrice : Rouae Ben Dhia
• Direction : Pierre Haldenwang, Denis Martinand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 15/10/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Caroline Gentric
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nils Tilton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Lemaitre, Innocent Mutabazi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Osmose

Osmose inverse

Instabilités hydrodynamiques

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Osmose inverse

Pression osmotique

Instabilités hydrodynamiques

Taylor-Couette

Flux de perméat

Analyse de stabilité linéaire et faiblement non-Linéaire

Dns

Reverse osmosis

Osmotic pressure

Hydrodynamic instabilities

Taylor-Couette cell

Permeate flux

Linear stability analysis

Weakly non-Linear stability analysis

Dns

Résumé

Les procédés de séparation membranaire basés sur la technique d'osmose inverse (RO), jouent un rôle très important dans les technologies de dessalement de l'eau. Cependant, les performances des systèmes RO sont affectées par le phénomène de polarisation de concentration due à l'accumulation du soluté à la membrane. Ce phénomène augmente la pression osmotique et par conséquent, réduit le flux de perméat. Ce travail porte alors sur l'étude qualitative et quantitative de l'impact de l'utilisation des instabilités hydrodynamiques sur la filtration afin de limiter la polarisation de concentration. Nous étudions le couplage entre les instabilités hydrodynamiques, le transport d'un soluté et la pression osmotique dans la cellule de Taylor-Couette comme un modèle de système RO. Les instabilités hydrodynamiques utilisées sont alors les vortex de Taylor. En premier temps, la cellule de Taylor-Couette avec deux cylindres semi-perméables et un écoulement radial transmembranaire a été considérée. Les deux cylindres rejettent complètement le soluté entraînant la formation d'une couche limite de concentration. Une approche analytique basée sur l’analyse de stabilité linéaire et faiblement non-linéaire, et une approche numérique basée sur la simulation numérique directe (DNS), ont été développées. Les conditions critiques d'apparition des vortex de Taylor sous l'effet de la pression osmotique et l'impact de ces vortex sur le taux de perméation ont été déterminés. Les résultats de DNS sont comparés avec les résultats analytiques. En second temps, un modèle numérique de la configuration de Taylor-Couette avec un seul cylindre semi-perméable et un écoulement axial a été développé

Reverse osmosis (RO) is one of the most important membrane separation processes, that plays a leading role in water desalination technologies. Nevertheless, RO performances are limited by the phenomenon of concentration polarization of solute near the membrane. Due to this phenomenon, the osmotic pressure increases on the membrane surface and thus reduces the permeation. This work highlights the couplings between hydrodynamic instabilities, solute transport and osmotic pressure in Taylor-Couette set-up as a model of RO systems. he hydrodynamic instabilities considered, are Taylor vortices. We provide qualitative and quantitative insights on the impact of these vortices on the filtration flow. The first configuration considered is a Taylor-Couette cell with two semi-permeable cylinders and an imposed radial throughflow. Both cylinders totally reject the solute, inducing the build-up of a concentration boundary layer. Both analytical and numerical approaches have been developed. Using linear and weakly non-linear stability analyses, the critical conditions corresponding to the appearance of vortical structures in presence of the osmotic pressure and the impact of vortices on the permeation flux, have been predicted. The numerical approach based on Direct Numerical Simulations DNS shows an excellent agreement with analytical results.The second configuration considered, is a Taylor-Couette cell with a single semi-permeable cylinder and an imposed axial flow. Using DNS, we check the validity of the numerical model. Some test cases have been performed to study the impact of the osmotic pressure on the flow stability