Academic literature on the topic 'Solides en vrac – Écoulement'

En 1906, Albert Einstein [1] a montré que l’ajout de particules sphériques solides dans un fluide augmente sa viscosité. En est-il encore ainsi quand les particules sont « actives » (c’est-à-dire motiles) ? Des expériences récentes avec des suspensions de bactéries Escherichia coli, qui sont de type « pousseur », démontrent un effet opposé : aux faibles taux de cisaillement, la viscosité macroscopique du liquide chute jusqu’à devenir nulle. Ce phénomène vient essentiellement du fait que la puissance motrice des bactéries contribue à la puissance mécanique fournie au fluide pour assurer son écoulement, cette contribution ayant une valeur nette non nulle en raison de l’organisation de la nage des bactéries soit individuellement, soit collectivement.

Apres une revue bibliographique des investigations anterieures, les resultats de notre propre etude de la phase d'alimentation d'une installation de transport pneumatique sont rapportes. Trois alimentateurs gaz-solide parmi les plus couramment employes sont testes: deux injecteurs-venturis dont un dans le cadre d'une utilisation industrielle sur site et une ecluse rotative associee a un injecteur simple en te. Au laboratoire, ils ont ete l'objet d'etudes systematiques suivant differents modes de fonctionnement lors de l'introduction de plusieurs produits (ciment, microbilles de verre, cendres volantes, granules de polypropylene). Les multiples series de mesure de la pression ont offert la possibilite d'apprecier le comportement aerodynamique de l'ecoulement au sein de ces systemes en fonction des parametres d'utilisation (debit de solide et debit d'air) et de comprendre le fonctionnement des elements successifs qui composent ces singularites complexes. Nous avons pu determiner ainsi les coefficients de perte de pression globale dans ces alimentateurs et apprehender leurs conditions de fonctionnement optimales. La puissance et l'energie relative consommees pour l'injection des particules solides sont egalement calculees. Dans chaque cas, la grande influence des caracteristiques physiques des materiaux transportes est demontree. Concernant l'ecluse rotative, sa capacite debitant et surtout les fuites inherentes a son utilisation ont ete evaluees selon des conditions d'emploi reel. La realisation du melange au sein de l'injecteur qui lui etait associe a aussi ete etudiee. Enfin, pour le calcul des parametres de l'ecoulement dans un injecteur-venturi avec tube de melange, une approche theorique est proposee; cette methode globale, mais simple et precise, est basee sur l'utilisation de coefficients deduits de nos propres resultats experimentaux

Ce travail porte sur l'étude du transport pneumatique vertical et incliné. A vitesse de l'air constante, les mesures de concentration en solides et débit de solides ont permis l'identification des régimes d'écoulement. Un organigramme des régimes d'écoulement a ainsi pu être établi. L'étude hydrodynamique de la suspension a permis de valider les résultats présentés par l'organigramme. Trois produits solides en vrac différents ont été transportés dans une conduite verticale et inclinée, d'un diamètre intérieur de 31,75 mm. L'influence, sur le comportement hydrodynamique de la suspension, de l'inclinaison de la conduite de transport d'un angle de 18 degrés par rapport à la position verticale, a été mise en évidence. Un phénomène de ségrégation selon la taille des particules a été observé. L'étude du transport incliné d'un mélange à deux populations de particules a été réalisée. Le comportement du mélange, ainsi que celui des composants à l'intérieur du mélange, a été défini à l'aide des données de concentration en solides, vitesse moyenne des particules et perte de charge.

Cette étude s'intéresse au problème de l'écoulement de solides pulvérulents ou granulaires dans les trémies et à la prédiction d'un débit de vidange régulier. Elle procède expérimentalement à partir d'une nouvelle approche théorique proposée par Y. Molodtsof (1991) et vise à en confirmer la validité et à en préciser les modalités d'application. Pour cela, nous avons réalisé des essais d'écoulement gravitaire de divers matériaux granulaires (sable, polystyrène, billes de verre) dans un silo bidimensionnel à fond plat et à ouverture centrée variable. Par ailleurs, la loi utilise une contrainte résiduelle assimilable à la cohésion du produit. Pour la mesure de cette propriété, nous avons testé deux méthodes de mesure ex-situ (la cellule de cisaillement de Peschl et le lit incliné de Rietema). Ces deux méthodes ex-situ se sont avérées ne pas permettre facilement une détermination de la cohésion avec une précision suffisante. En revanche, la loi établie pour la vidange des trémies a été formellement confirmée et nous avons mis en évidence l'existence de deux configurations d'écoulement.

Dans un diagramme d'etat de type zenz, le regime d'ecoulement discontinu gaz-solide se caracterise par de grandes fluctuations de pression et de faibles vitesses superficielles de la phase porteuse. Il se situe entre les regimes de saltation, les lits de particules mobiles et represente par consequent une famille d'ecoulements de type transitoire. De nombreux travaux ont ete consacres a la caracterisation fondamentale de ce regime en conduite horizontale et verticale, mais le cas des singularites reste a ce jour peu etudie. Ainsi, l'objectif des travaux presentes dans ce memoire est la mise en evidence du role des changements de direction sur l'organisation de l'ecoulement dans les circuits et la mise en uvre des hypotheses necessaires a la modelisation des efforts appliques aux coudes, au passage de l'ecoulement. Pour ce faire une premiere partie est consacree a la revue generale bibliographique dans laquelle on s'attache a mettre en evidence les proprietes principales caracterisant l'ecoulement discontinu gaz-solide en conduite droite ainsi que l'influence de la presence de changements de direction sur les ecoulements diphasiques. Une seconde partie apparait a la fois comme une analyse qualitative et quantitative du comportement de l'ecoulement au voisinage d'un changement de direction a rayon de courbure nul, place dans une configuration geometrique horizontale-verticale et en utilisant des techniques de visualisation. Cette partie de l'etude permet de formuler certaines des hypotheses necessaires a la modelisation des efforts provoques par le passage de l'ecoulement dans la singularite. Toutefois, devant les limites des techniques de visualisation, une derniere partie est consacree au developpement et a la validation d'une instrumentation specifique formant un systeme de detection et de reconnaissance des formes principales de l'ecoulement discontinu gaz-solide. Cette methode appliquee en conduite droite horizontale au voisinage de changements de direction a rayon de courbure constant, permet de mettre en evidence les principales proprietes de l'ecoulement qui sont confrontees aux resultats bibliographiques connus et aux resultats obtenus grace a l'instrumentation d'un site reel de grande longueur fonctionnant en regime discontinu et pour lequel les effets de singularites peuvent etre negliges. Enfin, une synthese est proposee pour mettre en evidence les modeles adaptables aux problemes poses par le passage de l'ecoulement dans les changements de direction et la contribution apportee par le systeme de detection est analysee.

L'aptitude à l'écoulement et l'aptitude à l'éboulement d'un matériau en vrac sont déterminées à travers des essais simples. Alors que leurs comportements en fonction de leurs états de consolidation initiaux sont décrits par le diagramme de Roscoe. L’étude théorique des vitesses d'écoulement des particules d'un matériau granulaire s'écoulant à l'intérieur de trémies convergentes est réalisée à partir d'une modélisation originale établie à l'aide des équations classiques de la mécanique des fluides. Les grains du matériau sont assimilés aux molécules du fluide dans lequel les collisions entre les particules sont inélastiques, contrairement à ce qui se passe dans un fluide classique. La validité de la modélisation est démontrée en comparant les champs de vitesses théoriques avec ceux mesurés lors de l'écoulement gravitaire de deux matériaux que sont les billes de verre et les petits pois secs. L’étude expérimentale a non seulement montré l'influence du frottement en paroi et de l'inclinaison des parois sur les vitesses, mais également les limites d'application du modèle. En effet, il y a une parfaite concordance entre les courbes théoriques et expérimentales lorsque l'écoulement est principalement soumis à des contraintes de cisaillement d'origine visqueuse

Cette recherche s'était donnée comme objectif de caractériser l'hydrodynamique, en lit fluidisé circulant (LFC), de mélanges d'espèces particulaires se différentiant par la masse volumique et/ou la taille. L'installation expérimentale utilisée, d'échelle semi-industrielle se compose d'une colonne de transport de 8 m de haut, connectée à un système de recyclage des solides comprenant une vanne non-mécanique de réinjection (jambe en L). Une telle configuration permettait de contrôler indépendamment vitesse de gaz et débit de solide dans des gammes respectives de 3,3 à 6,6 m/s et de 0 à 200 kg/m2/s. Trois solides différents ont été utilisés : un sable (198 um ; 2650 kg/m3), un minerai de fer (83 m ; 5200 kg/m3) et un support de catalyseur de craquage catalytique (70 m ; 1200 kg/m3). L'étude s'est focalisée sur la zone dite établie de la colonne pour laquelle on a pu démontrer, qu'en plus d'une concentration uniforme de la suspension, la structure d'écoulement y était axialement invariante. Cette région apparut comme fragile puisque sensible a l'introduction d'une sonde de prélèvement servant à la détermination des flux locaux de solide. La réversibilité du phénomène a néanmoins montre que la structure d'écoulement perturbée tendait à se ré-établir. L'existence systématique de trois régimes hydrodynamiques a été confirmée pour tous les solides transportés : à taux de charge croissant, le premier est le Régime des Profils semblables (RPS), auquel succède ensuite le Régime de Transition (RT) puis le Régime Dense (RD). L'analyse des comportements en mélanges a mise en évidence une ségrégation radiale partielle des phases particulaires, se manifestant de façon inégale suivant les différences de masse volumique ou de taille, tout en étant étroitement liée aux caractéristiques propres de chacun des régimes. En retour, ces derniers ont été notablement affectes par le ratio de circulation des espèces. Cet effet s'est alors traduit par un abaissement significatif des conditions de transition de régime avec l'augmentation de la fraction de fines/légères particules.

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale et numérique de l'écoulement de particules dans un empilement de sphères plus grosses. Un dispositif expérimental a été mis au point pour étudier la dispersion latérale et le temps moyen de séjour d'un paquet de particules dans un milieu poreux. Nous avons en particulier déterminé la dépendance du temps moyen de transit en fonction du nombre de particules en écoulement, de la taille des particules et de la hauteur du milieu poreux. Nous avons également caractérisé la dépendance du coefficient de dispersion latéral avec le nombre de particules transitant dans la structure poreuse. Dans un deuxième temps, nous avons développé des modèles de simulations numériques basés sur les méthodes « Event-Driven » et « dynamique moléculaire de sphères molles ». Ceux-ci nous ont permis de compléter l'étude expérimentale en analysant l'influence de divers paramètres supplémentaires. L'accès à l'intérieur du milieu poreux a permis une analyse plus fine de la dispersion des particules. Enfin, nous avons abordé la possibilité d'utiliser le phénomène de percolation spontanée pour réaliser un mélangeur. Grâce à l'outil numérique, nous avons réalisé et caractérisé des mélanges de particules de tailles différentes. Nous avons alors montré que ce procédé s'avère être un moyen simple et efficace pour obtenir des mélanges homogènes de particules
This work deals with experimental and numerical investigations on particles flow through a packing of larger spheres. We built an experimental device to study lateral dispersion and the mean transit time of a blob of particles through a porous medium. Particularly, we determined the dependence of the mean transit time on the number of particles, on particle size and on the height of the porous medium. We also characterized the dependence of the lateral dispersion coefficient on the number of particles moving in the porous structure. Then, we developed numerical simulation models based on « Event-Driven » and « molecular dynamic of soft spheres » methods. Those allowed us to supplement the experimental study by analyzing the influence of various additional parameters. The access inside the porous medium allowed a finer analysis of particles dispersion. Finally, we approached the possibility of using the spontaneous percolation phenomenon to produce a mixer. Thanks to the numerical tool, we carried out and characterized mixtures of particles of different sizes. We showed that this process proves to be a simple and effective method to obtain homogeneous mixtures of particles

La structure de l’écoulement établi d’un mélange gaz-solide en mouvement vertical ascendant a été expérimentalement étudiée dans une colonne à lit fluidisé à recirculation de 144 mm de diamètre intérieur et de 8 m de haut. Le solide utilisé est du catalyseur de cracking de 57um véhiculé par l’air atmosphérique. La colonne est alimentée en solide par l’intermédiaire d’une vanne en L. Les vitesses superficielles d’air ont été variées de 2 m/s jusqu’à 6 m/s, avec des concentrations volumiques qui atteignent 12%. Une sonde et une méthode de prélèvement ont été mises au point pour déterminer les profils radiaux de flux massique des particules. Cette méthode, qui s’affranchit de la condition d’isocinétisme strict des prélèvements, permet de mesurer à la fois les flux ascendant et descendant. Les mesures des profils de flux massique effectuées à des concentrations volumiques inférieures à 4% ont mis en évidence l’exixtence d’un régime des profils semblables qui avait été prévu théoriquement comme solution asymtotique des équations générales probabilistes des mélanges gaz-solide. Par ailleurs, ces mesures ont montré qu’au-delà de cette concentration il existe d’autres profils de flux massique qui se modifient avec l’augmentation du taux de charge, ce régime d’écoulement est appelé régime dense. L’allure des profils ainsi que leurs déformations avec la vitesse du gaz en écoulement dilué et avec la concentration en régime dense ont été examinées en détail. Enfin, des propriétés de la transition locale de régime ont pu être mises en évidence.

L'hydrodynamique et les caractéristiques thermiques d'un lit ruisselant de solides sur un faisceau tubulaire en présence éventuellement d'un contre-courant de gaz ont été étudiées. Les informations obtenues permettent une modélisation globale d'un échangeur à pluie de particules. Un exemple de dimensionnement d'une installation de refroidissement de charges solides a été traité. La trajectoire des particules dans l'échangeur peut être calculée dès lors que l'on connaît trois paramètres : le coefficient de frottement solides-solides, le coefficient de frottement paroi-solides et le coefficient de restitution tangentiel du choc des solides sur le tube. Différentes installations pour obtenir ces paramètres ont été utilisées. Le coefficient de transfert entre un lit ruisselant de solides et une paroi a été étudié sur un plan incliné de faible longueur. Il dépend principalement de la fraction volumique occupée par les solides au niveau de la paroi. Cette fraction volumique est une fonction de la vitesse des solides et du débit. Pour le transfert thermique sur un tube, on distingue deux zones d'échange : la partie supérieure du tube où les solides transfèrent directement leur chaleur au fluide caloporteur circulant à l'intérieur du tube, et la partie inférieure qui échange de la chaleur par convection du gaz et par rayonnement des solides. Les valeurs des coefficients d'échange pour différents solides et différentes conditions opératoires ont été obtenues. Un certain nombre de critères devant conduire à une configuration optimale de l'échangeur ont été dégagés
The hydrodynamic and thermal characteristics of solids raining through a tubular heat exchanger with or without the presence of a counter current flow of gas had been studied. A physical model was developed to predict the performance of raining bed heat exchangers. An example for designing a solids cooler was given to illustrate the calcu1ating procedures. The particles trajectories in the heat exchanger could be computed with the knowledge of three parameters : namely, the solids-solids friction coefficient, the solids-wall friction coefficient and the tangential coefficient of restitution on the tube. Various experimental set-ups had been designed to obtain these parameters. An inclined chute of short length was constructed to study the heat transfer coefficient between the flowing solids and the wall. The coefficient appeared to depend mainly on the solids concentration at the wall, which is a function of average velocity and mass flow rate of solids. On the heat exchanger tube surface, two different zones were observed. The raining particles exchange heat directly with the upper surface of the tube. Additional heat is exchange through gas convection and radiation on the remaining tube surface. Heat transfer coefficients were obtained for various types of solids under different operating conditions – Criteria for optimum design were proposed

Ce travail est financé par le fond européen Interreg VA (projet "PowderReg"). L'optimisation du transport, du stockage et du mélange des dispersions granulaires passe par le contrôle de leur écoulement, par exemple en ajoutant des vibrations mécaniques. Ce travail permet d'apporter une meilleure compréhension de l'influence des vibrations sur la rhéologie apparente de dispersions granulaires modèles dans le régime quasi-statique. Des travaux expérimentaux et numériques sont réalisés afin de sonder les modifications de la dynamique locale ainsi que les hétérogénéités qui apparaissent lors de leur mise en écoulement. Deux géométries présentant des intérêts fondamentaux, géophysiques et industriels sont étudiées : la cellule de type Couette et le plan incliné. Dans un premier temps, des mesures iso-indice couplées à de la fluorescence induite par laser ont été réalisées sur des suspensions granulaires dans une cellule de type Couette sous vibrations. Les vibrations rendent la rhéologie locale en homogénéisant le système. Elles suppriment la contrainte seuil apparente et font apparaître un plateau Newtonien à bas gradient, intrinsèque à la dynamique locale qui est de nature diffusive. Il est apparu que le temps de réarrangement des particules, dépendant de l'intensité des vibrations, est relié au volume libre disponible autour de chaque particule. L'étude numérique de cette géométrie dans le cas d'une dispersion granulaire sèche a mis en évidence des résultats similaires. Dans un second temps, des écoulements de dispersions de grains secs sur un plan incliné vibrant ont été réalisés. Des travaux numériques sur cette même géométrie ont permis d'enrichir cette étude. Les résultats mettent en évidence l'existence de deux régimes sous vibrations. Le comportement dans le régime dominé par la gravité n'est pas influencé par les vibrations, et un profil de Bagnold est observé. Les vibrations permettent principalement de baisser la friction basale, influant alors la hauteur des dépôts. Dans le régime dominé par les vibrations, les écoulements sont déclenchés par les vibrations elles-mêmes. Il est apparu qu'elles induisent des fluctuations de vitesses, qui créées alors une température granulaire. Cette température permet d'activer les réorganisations à l'échelle de la particule, éliminant le seuil apparent responsable du blocage des écoulements et permettant leur contrôle au travers du taux de cisaillement
This work is funded by the European Founds Interreg VA ("PowderReg" project). The optimization of the transport, storage and mixture of granular dispersions involves their flow control, by adding mechanical vibrations, for example. The present work enables a better understanding of the influence of the vibrations on the apparent rheology of model granular dispersions in the quasi-static regime. Experimental and numerical studies were carried out in order to probe the modifications of the local dynamic and heterogeneities that appear during the flow. Two geometries, interesting for diverse applications in fundamental science, geophysics and industries, were studied: the Couette cell geometry and the inclined plane. In the first step, refractive-index matching technique, coupled to the planar laser induced fluorescence was used to make measurements in granular suspensions in a vibrated Couette cell geometry. Vibrations make the rheology local by homogenizing the system. They suppress the yield stress and result in the appearance of a Newtonian plateau at the low shear, intrinsic to the local dynamic, which is diffusive in nature. It appears that the rearrangement time of the particles, depending on the intensity of the vibrations, is linked to a free volume available around each particle. The numerical study of this geometry in the case of a dry granular dispersion shows similar results. In the second step, flows of dry granular dispersions down the inclined and vibrated plane were realized. This study was completed with a numerical work. The results demonstrated the existence of two distinct regimes under vibrations. The behavior in the gravity-driven regime is not affected by the vibrations and a Bagnold profile is observed. The vibrations mainly cause the decrease of the basal friction and thus influence the height of the deposits. In the vibration-driven regime, however, flows are triggered by the vibrations themselves. It appears that they induce velocity fluctuations that create a granular temperature. That temperature allows the activation of the reorganizations at the grain scale. This suppresses the apparent yield responsible for the flow jamming, and thus enables their control through the shear rate