Procédés et mécanique aux petites échelles PROMETHEE
Micro-objets déformables sous forçage hydrodynamique
Microfluidique et Procédés
Organisation des écoulements aux petites échelles
Séparations membranaires
suite...
Présentation
L’équipe PROcédés et MEcanique aux petiTes écHEllEs (PROMETHEE) développe des compétences marquées relevant aussi bien de la mécanique des milieux continus que du génie des procédés tout en combinant approche expérimentale et développement de théories et de modèles. L’originalité des études menées se décline selon plusieurs spécificités :
Echelle micro-nano d’observation et d’analyse qui évacue les problématiques liées à la turbulence (régime de Stokes) mais nécessite de considérer des aspects aux frontières de la discipline ;
Rôle prédominant des interfaces : interactions avec les parois solides à l’échelle nano (nano-tubes), interaction fluide-structure avec des membranes fluides ou polymérisée à l’échelle méso ;
Connexion avec les fluides complexes, la matière molle et les systèmes biologiques.
Sur le thème de la micro- et nano-fluidique, les objets d’étude, physico-chimiques (gouttes, capsules,…) et biologiques (vésicules, globules rouges,…), comprennent aussi les procédés intensifiés d’encapsulation et de vectorisation par microréacteur, thèmes en plein essor. L’équipe développe également des outils de caractérisation de l’organisation aux petites échelles comme le développement de simulations numériques pour rendre compte de la ségrégation obtenue au sein de milieux granulaires et la mise au point de méthode chimique de caractérisation des effets de micromélange (mélange à l’échelle moléculaire). A cela s’ajoute une activité de caractérisation et modélisation thermodynamique de milieux complexes.
Les outils numériques développés et mis en œuvre sont variés : intégrale de frontière, éléments finis, immersed boundary method, méthode Lattice Boltzman…
Wenjun Liu, Paul G Chen, Jalil Ouazzani, Qiusheng Liu. Thermocapillary flow transition in an evaporating liquid layer in a heated cylindrical cell. International Journal of Heat and Mass Transfer, Elsevier, 2020, 153, pp.119587. ⟨10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119587⟩. ⟨hal-02488876⟩ Plus de détails...
Motived by recent ground-based and microgravity experiments investigating the interfacial dynamics of a volatile liquid (FC-72, P r = 12.34) contained in a heated cylindrical cell, we numerically study the thermocapillary-driven flow in such an evaporating liquid layer. Particular attention is given to the prediction of the transition of the axisymmetric flow to fully three-dimensional patterns when the applied temperature increases. The numerical simulations rely on an improved one-sided model of evaporation by including heat and mass transfer through the gas phase via the heat transfer Biot number and the evaporative Biot number. We present the axisymmetric flow characteristics, show the variation of the transition points with these Biot numbers, and more importantly elucidate the twofold role of the latent heat of evaporation in the stability; evaporation not only destabilizes the flow but also stabilizes it, depending upon the place where the evaporation-induced thermal gradients come into play. We also show that buoyancy in the liquid layer has a stabilizing effect, though its effect is insignificant. At high Marangoni numbers, the numerical simulations revealed smaller-scale thermal patterns formed on the surface of a thinner evaporating layer, in qualitative agreement with experimental observations. The present work helps to gain a better understanding of the role of a phase change in the thermocapillary instability of an evaporating liquid layer.
Wenjun Liu, Paul G Chen, Jalil Ouazzani, Qiusheng Liu. Thermocapillary flow transition in an evaporating liquid layer in a heated cylindrical cell. International Journal of Heat and Mass Transfer, Elsevier, 2020, 153, pp.119587. ⟨10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119587⟩. ⟨hal-02488876⟩
Journal: International Journal of Heat and Mass Transfer
T. Dupuy, T. Prusek, F. Oukacine, M. Lacroix, A. Kaiss, et al.. Fractal description of fouling deposits in boiling heat transfer modelling. International Journal of Heat and Mass Transfer, Elsevier, 2019, 145, pp.118722. ⟨10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118722⟩. ⟨hal-02467974⟩ Plus de détails...
A novel methodology is developed for predicting the thermal impact of fouling in Steam Generators (SG). The originality of this methodology is to resort to fractal and statistical theories to depict the porous structure of the deposits. The proposed Statistical Fractal methodology (SF) accounts for the heat transfer driven by the liquid-vapor phase change inside the deposits. It simulates the complex intricate networks of sinuous open pores of different scales, with liquid inflows (capillaries) and vapor outflows (steam-chimneys). The multi-layered representation of fouling deposits allows to mimic aging mechanisms such as densification which occur during SG operation. The SF predictions are consistent with experimental data. The deposit thickness and the profile of porosity are found to be the most influential fouling properties on the heat exchange. The methodology is capable to simulate the experimentally observed heat transfer enhancement for thin and porous deposit as well as the heat exchange decline for thick and dense deposit.
T. Dupuy, T. Prusek, F. Oukacine, M. Lacroix, A. Kaiss, et al.. Fractal description of fouling deposits in boiling heat transfer modelling. International Journal of Heat and Mass Transfer, Elsevier, 2019, 145, pp.118722. ⟨10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118722⟩. ⟨hal-02467974⟩
Journal: International Journal of Heat and Mass Transfer
Sylvain Chateau, Julien Favier, Sébastien Poncet, Umberto d'Ortona. Why antiplectic metachronal cilia waves are optimal to transport bronchial mucus. Physical Review E , American Physical Society (APS), 2019, 100 (4), pp.042405. ⟨10.1103/PhysRevE.100.042405⟩. ⟨hal-02468006⟩ Plus de détails...
The coordinated beating of epithelial cilia in human lungs is a fascinating problem from the hydrodynamics perspective. The phase lag between neighboring cilia is able to generate collective cilia motions, known as metachronal waves. Different kinds of waves can occur, antiplectic or symplectic, depending on the direction of the wave with respect to the flow direction. It is shown here, using a coupled lattice Boltzmann-immersed boundary solver, that the key mechanism responsible for their transport efficiency is a blowing-suction effect that displaces the interface between the periciliary liquid and the mucus phase. The contribution of this mechanism on the average flow generated by the cilia is compared to the contribution of the lubrication effect. The results reveal that the interface displacement is the main mechanism responsible for the better efficiency of antiplectic metachronal waves over symplectic ones to transport bronchial mucus. The conclusions drawn here can be extended to any two-layer fluid configuration having different viscosities, and put into motion by cilia-shaped or comb-plate structures, having a back-and-forth motion with phase lags.
Sylvain Chateau, Julien Favier, Sébastien Poncet, Umberto d'Ortona. Why antiplectic metachronal cilia waves are optimal to transport bronchial mucus. Physical Review E , American Physical Society (APS), 2019, 100 (4), pp.042405. ⟨10.1103/PhysRevE.100.042405⟩. ⟨hal-02468006⟩
Pierre Haldenwang, Braulio Bernales, Pierrette Guichardon, Nelson Ibaseta. Simple Theoretical Results on Reversible Fouling in Cross-Flow Membrane Filtration. Membranes, MDPI, 2019, Application of Membrane Filtration in Industrial Processes, and in the Treatment of Water and Industrial Wastewater), 9 (4), pp.48. ⟨10.3390/membranes9040048⟩. ⟨hal-02109009⟩ Plus de détails...
In cross-flow membrane filtration, fouling results from material deposit which clogs the membrane inner surface. This hinders filtration, which experiences the so-called limiting flux. Among the models proposed by the literature, we retain a simple one: a steady-state reversible fouling is modelled with the use of a single additional parameter, i.e., N d , the ratio of the critical concentration for deposition to the feed concentration at inlet. To focus on fouling, viscous pressure drop and osmotic (counter-)pressure have been chosen low. It results in a minimal model of fouling. Solved thoroughly with the numerical means appropriate to enforce the nonlinear coupling between permeation and concentration polarization, the model delivers novel information. It first shows that permeation is utterly governed by solute transfer, the relevant non-dimensional quantities being hence limited to N d and Pe in , the transverse Péclet number. Furthermore, when the role played by N d and moderate Pe in (say Pe in < 40) is investigated, all results can be interpreted with the use of a single non-dimensional parameter, F l , the so-called fouling number, which simply reads F l ≡ Pe in N −1 d. Now rendered possible, the overall fit of the numerical data allows us to put forward analytical final expressions, which involve all the physical parameters and allow us to retrieve the experimental trends.
Pierre Haldenwang, Braulio Bernales, Pierrette Guichardon, Nelson Ibaseta. Simple Theoretical Results on Reversible Fouling in Cross-Flow Membrane Filtration. Membranes, MDPI, 2019, Application of Membrane Filtration in Industrial Processes, and in the Treatment of Water and Industrial Wastewater), 9 (4), pp.48. ⟨10.3390/membranes9040048⟩. ⟨hal-02109009⟩
Carlos Baqueiro, Nelson Ibaseta, Pierrette Guichardon, Laurent Falk. Influence of reagents choice (buffer, acid and inert salt) on triiodide production in the Villermaux–Dushman method applied to a stirred vessel. Chemical Engineering Research and Design, Elsevier, 2018, 136, pp.25-31. ⟨10.1016/j.cherd.2018.04.017⟩. ⟨hal-01771934⟩ Plus de détails...
This work studies how deeply the reagents choice influences micromixing characterisation by the Villermaux-Dushman method, when applying it to a 1 litre stainless steel standard vessel with two baffles, stirred by an inclined blade turbine. For the first time, borate and phosphate buffer are compared on their use in the method. It is observed that triiodide production is higher when borate buffer is used. Moreover, perchloric acid leads to higher triiodide production than sulphuric acid, when injecting the same concentration of both acids. Finally, the influence of the ionic strength is also studied, since there has been a great deal of controversy about it over the last years. The results show that the ionic strength affects triiodide production, although relatively slightly. Advice concerning the choice of the reagents is given in conclusion.
Carlos Baqueiro, Nelson Ibaseta, Pierrette Guichardon, Laurent Falk. Influence of reagents choice (buffer, acid and inert salt) on triiodide production in the Villermaux–Dushman method applied to a stirred vessel. Chemical Engineering Research and Design, Elsevier, 2018, 136, pp.25-31. ⟨10.1016/j.cherd.2018.04.017⟩. ⟨hal-01771934⟩
Mardi 17 Décembre 2019
- Eco-design of a Dry Cleaning Machine by Integration of a Membrane Process for Solvent Dehydration / Soutenance de thèse Oleksandr DIMITROV
Doctorant : Oleksandr DIMITROV
Date de la soutenance : le 17 décembre 2019 à 10h30, Amphi 3, Centrale Marseille.
Jacques JOSE Professeur EM, Univ Lyon 1, Lyon Invité
Alfred TESTA Dirigéant, Innovaclean, Géménos Invité
Vendredi 5 Juillet 2019
- Modélisation numérique de la dynamique de particules molles en microcanaux / Soutenance de thèse de Jinming LYU
Doctorant : Jinming LYU
Date de la soutenance : Vendredi 5 Juillet 2019 à 14h00, Amphi 3A, Centrale Marseille
Résumé de la thèse :
Une vésicule est un système modèle utilisé pour comprendre le comportement dynamique en écoulement d’une particule molle fermée telle qu’un globule rouge. La membrane bicouche lipidique inextensible d’une vésicule admet une résistance d’élasticité en flexion. Lorsque dégonflée, c’est-à-dire pour un grand rapport surface sur volume, une vésicule présente des changements de formes remarquables. Des progrès significatifs ont été réalisés au cours des dernières décennies dans la compréhension de leur dynamique en milieu infini. Ce manuscrit s’intéresse à la transition de formes et à la migration latérale d’une vésicule dans des écoulements confinés. L’approche est numérique, basée sur une méthode aux éléments finis de frontière (BEM) isogéométrique. Partant d’une version existante pour les écoulements de Stokes non confiné, un code original est développé pour prendre en compte les parois de microcanaux de section transversale arbitraire. L’essentiel des études porte sur la dynamique d’une vésicule transportée par un écoulement de Poiseuille dans une conduite de section circulaire. Tout d’abord, nous examinons les formes typiques des vésicules, les différents modes de migration latérale et la structure de l’écoulement des lipides dans la membrane, en fonction des trois paramètres sans dimension caractéristiques : le volume réduit, le confinement et le nombre capillaire (de flexion). Les transitions de forme et le diagramme de phase de formes stables pour plusieurs volumes réduits sont obtenus dans l’espace (confinement, nombre capillaire). Ils montrent une extension de l’ensemble des morphologies de la vésicule. L’interaction complexe entre la paroi du tube, les contraintes hydrodynamiques et l’élasticité de flexion de la membrane conduit à une dynamique bien plus riche. Nous étudions ensuite, via une version axisymétrique du modèle, le comportement de la vésicule lorsque des conditions de confinement deviennent sévères et imposent des formes de vésicule axisymétriques. Un accent particulier est mis sur la prédiction de la mobilité de la vésicule et de la perte de charge additionnelle induite par la présence de la vésicule. Cette dernière est importante pour comprendre la rhéologie d’une suspension diluée. De plus, sur la base des résultats numériques du comportement proche du confinement maximal, nous établissons plusieurs lois d’échelle portant sur la vitesse de la vésicule et sa longueur, ainsi que sur l’épaisseur du film de lubrification. Enfin, nous présentons un modèle hybride BEM–coarse-graining permettant d’adjoindre un cytosquelette à une vésicule pour étendre nos études au cas des globules rouges. La modélisation coarse-graining du cytosquelette repose sur un réseau de ressorts identifié à l’ensemble des arêtes du maillage d’éléments finis de la membrane de la vésicule. Les résultats numériques montrent que ce modèle à deux composants vésicule–cytosquelette est capable d’extraire les propriétés mécaniques des globules rouges et de prédire sa dynamique dans les écoulements de fluide.
Jury
Annie VIALLAT DR CNRS, CINaM, Marseille Présidente
Chaouqi MISBAH DR CNRS, LIPhy, Grenoble Rapporteur
Franck NICOUD PR Univ. de Montpellier, Montpellier Rapporteur
Marc LEONETTI CR CNRS, LRP, Grenoble Examinateur
Marc JAEGER PR ECM, Marseille Directeur de thèse
Paul G. CHEN CR CNRS, M2P2, Marseille Co-Directeur de thèse
