Le CNRS et Tec21 co-financent un projet de thèse intitulé "Modélisation numérique du comportement mécanique de fibres de celluloses dans un écoulement"
Suite à l'atelier "bioraffinerie, mécanique des fluides et modélisation" organisé en 2013, quatre laboratoires partenaires de Tec21 ont identifié un sujet de recherche concernant le comportement
mécanique des suspensions de fibres de cellulose qui manquait cruellement de résultats et pouvait constituer un verrou important en ce qui concerne les procédés de traitement et de transformation
de la biomasse.
En associant leur expertise en mécanique des fluides et des solides, en modélisation et en génie des procédés, les partenaires du projet souhaitent relier les mécanismes fondamentaux impliqués à
l'échelle microscopique à la manipulation industrielle des constituants de la biomasse.
L'objectif de la thèse proposée est de mettre en place un outil de simulation permettant de décrire le mouvement d'objets tels que des fibres souples et très allongées (taille du millimètre au
nanomètre, rapport d'aspect de 10 à 100) transportés par des écoulements complexes (zones très confinées, turbulence). Des simulations directes de mécanismes élémentaires tels que la déformation
et l'agglomération des fibres sont visées. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet mené par le LabEx Tec21 sur la bioraffinerie dont l'objectif est de maîtriser les processus de
production des micro/nanofibrilles de cellulose (production, séparation en micro-canaux, jet coating etc...)
En ce qui concerne la simulation de suspensions d'objets déformables, des progrès significatifs ont été réalisés récemment, notamment dans la simulation de vésicules déformables, par l'approche
de champ de phase développée au LIPhy et au LJK de Grenoble, et par l'approche de "volume de fluide" sur les écoulements de cellules sanguines, incluant les interactions avec les protéines
adsorbées sur la paroi, où la description des membranes implique la prise en compte de leur élasticité. Une telle description est difficilement transposable aux fibres de cellulose dont il est
question ici. Les difficultés concernent en particulier la grande déformation de ces objets minces, la gestion des contacts entre les fibres, et une traduction appropriée du comportement
mécanique des fibres de cellulose, qui sont par nature inhomogènes et difficiles à modéliser.
Le choix de la stratégie de modélisation constituera donc la première étape de la thèse. Idéalement, il s'agira d'une description fine du champ fluide par simulation numérique directe couplée à
une description curviligne des fibres, c'est-à-dire de leur déformation et de leurs interactions. Ces interactions se produisent pour de très petites fractions volumiques de fibres (0,1 à 1% en
volume) en raison de leur très grande élasticité. Les couplages fluide-fibre et fibre-fibre ne sont pas triviaux à ces échelles et pour les conditions d'écoulement considérées. D'un point de vue
numérique, l'outil développé conduira à des méthodes de couplage de type dynamique moléculaire ou éléments discrets pour la partie solide comme celles développées à 3SR, et des méthodes de type
volume fini développées au LEGI.
Une fois la stratégie définie, le premier verrou sera de simuler un seul objet allongé homogène dans un écoulement complexe. L'étape suivante consistera à traiter le cas de plusieurs fibres en
interaction, introduisant ainsi des forces de contact. L'objectif final est de simuler des suspensions plus denses afin de prédire le transport des assemblages de fibres et l'apparition
d'agglomérats. De plus, l'estimation des contraintes hydrodynamiques subies par ces fibres servira de guide pour mieux contrôler ou améliorer les procédés considérés.
Le suivi de la thèse sera assuré plus particulièrement par Pierre Dumont (LGP2), Barthélémy Harthong (3SR) et Guillaume Balarac (LEGI), spécialistes respectivement des matériaux bio-sourcés, des
simulations numériques de milieux discrets et de la simulation d'écoulements fluides complexes.
