Offre de thèse
Simulation numérique d'écoulements réactifs de poudres : vers une détermination conservative mais réaliste de leur explosivité
Date limite de candidature
26-04-2024
Date de début de contrat
01-10-2024
Directeur de thèse
DUFAUD Olivier
Encadrement
Directeur de thèse : DUFAUD Olivier - LRGP - Professeur Université de Lorraine - olivier.dufaud@univ-lorraine.fr Co-directrice de thèse : MONNIER Nathalie - LRGP - Maitre de Conférences Université de Lorraine - nathalie.monnier@univ-lorraine.fr L'encadrement de la thèse se fera à l'aide des méthodes et outils suivants : - Formations aux divers équipements expérimentaux, - Formation et accès à diverses bases de données, - Accompagnement/aide au montage de nouveaux pilotes, - Réunions en vis-à-vis hebdomadaire avec le directeur de thèse et/ou la co-encadrante (minimum, variable selon les périodes d'enseignement et disponibilités), - Réunions téléphoniques/visios régulières avec les partenaires (Université de Naples notamment)… - Rencontre/échange dès que besoin et intensification des réunions de préparation en phase de rédaction et de soutenance.
Type de contrat
école doctorale
équipe
Axe 1 - PERSEVAL - Procédés pour l'environnement, la sécurité et la valorisation des ressourcescontexte
La majorité des études couplant CFD et explosion de poussières ne prennent en considération que l'étape de dispersion des poudres, sans simuler les étapes réactionnelles de pyrolyse, combustion et propagation de la flamme au sein de la sphère de 20L. Combiner toutes ces étapes nécessite le recours à la simulation numérique d'écoulements réactifs et implique de pouvoir surmonter un verrou scientifique important : la discontinuité générée par l'inflammation.spécialité
Génie des Procédés, des Produits et des Moléculeslaboratoire
LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
Mots clés
Explosion de poussières, CFD réactive, Combustion, Pyrolyse, Sécurité des procédés, Poudres organiques
Détail de l'offre
Afin de proposer des moyens de prévention et de protection adéquats contre les explosions de poussières et de mélanges hybrides, il est nécessaire d'obtenir les caractéristiques d'inflammabilité et d'explosivité de ces poudres (pression maximale, vitesse maximale de montée en pression, etc.). L'ensemble de ces paramètres est déterminé sur la base de normes internationales fixant, généralement de manière péremptoire, les conditions des tests. Or, il apparaît de plus en plus nettement que ces conditions ne sont souvent pas les plus contraignantes et ne conduisent pas systématiquement à l'obtention des paramètres les plus sûrs vis-à-vis des applications industrielles. Un exemple en est le temps de dispersion (tv) correspondant au délai entre l'injection des poudres dans les appareillages (e.g. sphère de 20L) et leur inflammation. Normalisé afin de déterminer l'explosivité maximale d'une poudre, ce délai (60 ms) est non adapté à l'ensemble des microparticules testées, tant du fait de leurs dimensions que de leur densité, inadéquat lors de l'utilisation d'énergies d'inflammation diverses et parfois incongru lors des essais effectués sur les nanoparticules. L'hydrodynamique des suspensions conditionnant clairement l'hydrodynamique des flammes, connaître les caractéristiques de la suspension initiale des poudres et leurs influences sur l'ignition et la propagation de l'explosion permettrait de choisir les conditions de tests les plus pertinentes. Ceci peut se faire expérimentalement à l'aide d'une étude paramétrique extensive, mais également au travers de la simulation numérique.
La majorité des études couplant CFD et explosion de poussières ne prennent en considération que l'étape de dispersion des poudres, sans simuler les étapes réactionnelles de pyrolyse, combustion et propagation de la flamme au sein de la sphère de 20L. Combiner toutes ces étapes nécessite le recours à la simulation numérique d'écoulements réactifs et implique de pouvoir surmonter un verrou scientifique important : la discontinuité générée par l'inflammation.
Les simulations numériques seront réalisées à l'aide du logiciel Ansys Fluent ou OpenFoam. La discrétisation spatiale s'effectuera par la méthode des volumes finis (cellules polyédriques et prismatiques). L'approche Euler-Lagrange (2-way coupling) sera associée à la méthode des éléments finis afin de prendre en considération les interactions particules-particules (4-way). Les équations du mouvement de la phase poussière seront appliquées non pas à chaque particule, mais à un ensemble de particules qui partagent les mêmes propriétés (parcel). Ce modèle CFD sera validé par des campagnes expérimentales (granulométrie in-situ, PIV…) menées à l'aide sphère de 20 litres pour des poudres organiques simples (amidon, cellulose, polyéthylène).
Pour les poudres organiques (cellulose, amidon, lignine, xylan, bois de différentes essences), les mécanismes globaux de pyrolyse développés en interne à l'aide du four Godbert-Greenwald modifié pourront être implémentés et couplés aux réactions d'oxydation de ces composés.
A court terme, cette thèse permettra d'alimenter des modèles prédictifs d'explosions de poussières, qu'ils soient centrés sur la prédiction de la sévérité d'une explosion de poussière au sein de la sphère de 20L à partir des propriétés physico-chimiques des poudres ou qu'ils se basent sur les données empiriques obtenues par l'utilisation de la sphère de 20L pour prédire les conséquences potentielles d'une explosion de poussières dans un cadre industriel complexe.
A moyen terme, ces résultats devront permettre d'infléchir et de modifier les standards existants afin de définir ab initio, grâce à la simulation numérique, l'état de la suspension le plus pénalisant et de fixer les paramètres de dispersion des poudres, non de manière fixe et arbitraire, mais en se basant sur le « worst case scenario » incontournable lors de l'étape de quantification des risques majeurs.
Keywords
Dust explosion, Reactive CFD, Combustion, Pyrolyse, Process safety, Organic powders
Subject details
In order to propose adequate means of prevention and protection against explosions of dusts and hybrid mixtures, it is necessary to obtain the flammability and explosivity characteristics of these powders (maximum pressure, maximum rate of pressure rise, etc.). All these parameters are determined on the basis of international standards, which generally lay down the test conditions in a peremptory manner. However, it is becoming increasingly clear that these conditions are often not the most adequate and do not systematically lead to the 'safest' parameters for industrial applications. One example is the dispersion time (tv), which is the time between the injection of powders into the equipment (e.g. 20L sphere) and their ignition. Standardised in order to determine the maximum explosivity of a powder, this time (60 ms) is not suitable for every powder tested, due to change in size and density; such tv can be unsuitable when using different ignition energies or when testing nanoparticles. Since the hydrodynamics of suspensions clearly condition the hydrodynamics of flames, knowing the characteristics of the initial suspension of powders and their influence on ignition and propagation of the explosion would make it possible to choose the most appropriate test conditions. This can be done experimentally using an extensive parametric study, but also through numerical simulation. The majority of studies combining CFD and dust explosion only consider the powder dispersion stage, without simulating the reaction stages of pyrolysis, combustion and flame propagation within the 20L sphere. Combining all these stages requires the use of numerical simulation of reactive flows and implies being able to overcome a major scientific obstacle: the discontinuity generated by ignition. The numerical simulations will be carried out using Ansys Fluent or OpenFoam software. Spatial discretization will be carried out using the finite volume method (polyhedral and prismatic cells). The Euler-Lagrange approach (2-way coupling) will be combined with the finite element method in order to take into account particle-particle interactions (4-way). The equations of motion of the dust phase will be applied not to each particle, but to a set of particles that share the same properties (parcel). This CFD model will be validated by experimental campaigns (in-situ granulometry, PIV, etc.) using a 20-litre sphere for simple organic powders (starch, cellulose, polyethylene). For organic powders (cellulose, starch, lignin, xylan, various types of wood), the global pyrolysis mechanisms developed in-house using the modified Godbert-Greenwald furnace could be implemented and coupled to the oxidation reactions of these compounds. In the short term, this thesis will provide input for predictive models of dust explosions, whether they focus on predicting the severity of a dust explosion within the 20L sphere on the basis of the physico-chemical properties of the powders, or whether they are based on empirical data obtained by using the 20L sphere to predict the potential consequences of a dust explosion in a complex industrial setting. In the medium term, these results should make it possible to modify existing standards in order to define ab initio, using numerical simulation, the most 'conservative state of the suspension' and to set the powder dispersion parameters, not in a fixed and arbitrary manner, but based on the 'worst case scenario' which is essential when assessing major risks.
Profil du candidat
Compétences générales en génie des procédés exigées :
- Mobiliser les outils et méthodologies adaptées pour mettre en œuvre une démarche expérimentale
- Exploiter et modéliser des données expérimentales issues d'essais en unités pilote
- Réaliser des bilans de matière et d'énergie...
Des compétences en simulation numérique seraient fortement appréciées
Des notions de sécurité des procédés seraient appréciées
Pour toute thèse proposée au sein de l'Ecole Doctorale, le futur doctorant devra bien être titulaire d'un master (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) avec au moins une mention AB.
Dans tous les cas (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) le dossier doit comporter :
• le CV du candidat et lettre de motivation
• les notes obtenues au diplôme conférant le grade de master, mention 'Assez Bien' requise au minimum et copie du diplôme s'il est disponible
• 2 lettres de recommandations émanant du Responsable de la filière de formation et du tuteur de stage de fin d'études
• des éléments tangibles sur l'initiation à la recherche (mémoire de recherche, publication, ...).
Le dossier complet de candidature doit être envoyé à la direction de thèse par les adresses messageries des directeurs de thèses : olivier.dufaud@univ-lorraine.fr et nathalie.monnier@univ-lorraine.fr
Candidate profile
Chemical engineering skills required:
- Use the appropriate tools and methodologies to implement an experimental approach
- Use and model data from experimental tests
- Develop mass and energy balances, etc.
Skills in CFD would be highly appreciated
Basics of process safety would be appreciated
All applicants to the Doctoral School SIMPPÉ must have successfully completed a Master degree or its equivalent with a grade comparable to or better than the French grade AB (corresponding roughly to the upper half of a graduating class). In all cases (French or foreign Master degree, engineering degree, etc.) the counsel of the doctoral school will examine the candidate's dossier, which must include:
• CV and letter of motivation
• the grades obtained for the Master (or equivalent) degree and a copy of the diploma if it is available
• 2 letters of recommendation, preferably from the director of the Master program and the supervisor of the candidate's research project
• written material (publications, Master thesis or report, etc.) related to the candidate's research project.
The complete application file must be sent to the thesis supervisors by email : olivier.dufaud@univ-lorraine.fr and nathalie.monnier@univ-lorraine.fr
Référence biblio
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