Vers la simulation DEM en temps réel des écoulements granulaires. Application au transfert de chaleur dans les procédés industriels

Towards real-time DEM simulation of granular flows. Application to heat transfer in industrial processes

• Auteur / Autrice : Clara Haydar
• Direction : Olivier Bonnefoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Sciences des Processus Industriels et Naturels
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Guessasma
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Bonnefoy, Mohamed Guessasma, Jean-Sébastien Kroll-Rabotin, Thomas Lichtenegger, Nouria Fatah, Sylvain Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Sébastien Kroll-Rabotin, Thomas Lichtenegger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Procédés de fabrication

Simulation par ordinateur

Méthode des éléments discrets

Écoulements granulaires immergés

Mots clés libres

Ecoulements granulaires

DEM

CFD

Transfert de chaleur

Extrapolation temporelle

Granular Flows

CFD

DEM

Heat transfer

Time extrapolation

Résumé

Les écoulements granulaires sont présents dans de nombreux procédés industriels et naturels. Pour étudier ces écoulements, nous utilisons la DEM qui, malgré les progrès informatiques conduisent à des simulations coûteuses en termes de temps de calcul. Dans ce contexte, nous proposons une nouvelle méthode ayant pour but la réduction significative du temps de calcul. L'idée principale est d'étendre une approche existante basée sur la pseudo-périodicité des procédés. Après une courte simulation DEM, les résultats sont extrapolés aux temps longs. Cette approche permet de modéliser les transferts de chaleur dans les simulations DEM et CFD-DEM. L'algorithme d'extrapolation que nous avons développé prend en charge deux types de transfert de chaleur : conductif et convectif. Il pourra être étendu au transfert par rayonnement ainsi qu'à d'autres phénomènes de transport tels que le transport de constituants chimiques. Nous avons d'abord validé notre méthode en modélisant un tambour tournant pour évaluer le transfert de chaleur par conduction. Ensuite, nous avons étudié le transfert de chaleur mixte conductif-convectif dans un lit à jet. Nos résultats extrapolés sont en excellent accord avec les résultats de la simulation standard (erreur de moins de 3 %) et une diminution drastique du temps de simulation (facteur 100). Ce travail constitue un premier pas vers la simulation numérique à faible coût des procédés industriels à grande échelle. Notre objectif ultime est de parvenir à une méthode de simulation rapide, applicable macroscopiquement, pour étudier tous types d'écoulements réactifs granulaires comme dans des fours tournants, mélangeurs et lits fluidisés.

Granular flows are found in many industrial and natural processes. These flows are well represented using the Discrete Element Method (DEM) which, despite advances in modern computer science, leads to computationally expensive simulations. In this context, we propose a new method to significantly reduce computational time. The main idea is to extend a previously existing approach based on the pseudo-periodicity of processes. Then, after a short DEM simulation (a few periods), results are extrapolated to a longer time. This approach enables the modeling of heat transfer in DEM (without interstitial fluid) and CFD-DEM (with interstitial fluid) simulations. The extrapolation algorithm we have developed treats two types of heat transfer: conductive and convective. It can be extended to radiation and other transport phenomena, such as the transport of chemical constituents. Firstly, we validated our method by modeling a rotating drum to evaluate conductive heat transfer. Then, we studied both conductive-convective heat transfer in a spouted bed. Our extrapolated results are in excellent agreement with standard simulation results (error of less than 3 %) and a drastic reduction in simulation time (factor 100). This work is a first step towards low-cost numerical simulation of large-scale industrial processes. Our ultimate goal is to achieve a fast, process-scale method applicable for all types of granular reactive flows, such as in rotary kilns, mixers and fluidized beds.