Optimisation de la conception des médias fibreux par simulation numérique et expérimentations : vers une réduction de l'impact énergétique et environnemental de la filtration

Mots clés

média fibreux, aérosol, optimisation, expérimentations, simulation

Détail de l'offre

Les médias fibreux, composés d'un réseau de fibres principalement orientées perpendiculairement à l'écoulement, dominent le marché de la filtration tant pour des applications industrielles, environnementales ou de protection individuelle. Leur succès repose sur un équilibre entre faible coût énergétique et haute performance. Cependant, malgré leur prépondérance, l'optimisation de leurs performances initiales et de leur durée de vie reste un défi majeur. A l'heure actuelle, la composition et la structure des médias filtrants actuels, composés de fibres de verre, cellulosiques ou synthétiques (polypropylène, polyester, etc.), sont issues de l'expérience et du savoir-faire des fabricants, et rien ne permet d'affirmer que le média fabriqué présente la structure optimale.
L'objectif principal est de développer des modèles analytiques robustes pour prédire les performances (perméabilité et efficacité de collecte) de ces structures, non isotropes et souvent hétérogènes (gradient de compacité, microperforations, distribution spatiale des fibres), sous diverses conditions opératoires et pour différentes tailles de particules. Ces modèles doivent permettre le développement d'un outil d'aide à la décision pour concevoir, selon les applications cibles, les médias optimaux pour (i) minimiser la perte de charge pour une efficacité cible, (ii) maximiser l'efficacité pour une perte de charge cible, (iii) voire optimiser ces deux critères de performance dans une approche multicritères au sens de Pareto ; tout en réduisant les coûts (énergétiques, de production, et environnementaux).
Les enjeux sociétaux et économiques d'un tel développement sont multiples. Concevoir des médias plus efficaces, que ce soit pour le dépoussiérage industriel ou les équipements de protection individuelle, s'inscrit ainsi dans une démarche environnementale pour limiter les émissions de particules et leurs impacts, mais aussi de santé publique pour protéger la population. Optimiser la structure des médias a également des implications énergétiques et économiques puisque, à efficacité constante, la diminution de la perte de charge initiale d'un filtre sera directement proportionnelle au coût de fonctionnement de ce séparateur. Enfin, réaliser un filtre aux propriétés optimisées permettra de réduire le coût de production en limitant le grammage et donc les ressources (fibres) nécessaires, ou en favorisant l'ajout de fibres spécifiques moins coûteuses à la fabrication.
La méthodologie envisagée dans le cadre de ce projet consiste à l'utilisation de la CFD pour générer des structures fibreuses maîtrisées et simuler des écoulements à des échelles inaccessibles expérimentalement. La construction d'une base de données via ces expérimentations numériques permettra le développement des modèles de perméabilité et d'efficacité prenant en compte, entre autres, les hétérogénéités structurelles et le glissement à la surface des fibres submicroniques. Ce travail de simulation devra par ailleurs s'accompagner d'une validation expérimentale sur des médias commerciaux ou modèles, parfaitement caractérisés en termes de compacité, d'épaisseur et de distribution de taille de fibres. Ainsi le recours à la fabrication de formettes (au laboratoire ou par des partenaires) à partir de fibres commerciales semble être la solution la plus adaptée à la problématique. Pour mener à bien cette validation expérimentale, l'équipe dispose d'une plateforme technologique spécifique au domaine des aérosols équipée de bancs d'essais, générateurs d'aérosols, compteurs et granulomètres.