Milieux Fluidiques et Composants

Thématique Milieu Fluidiques et Composants – MFC

La réduction de la consommation et gestion rationnelle de l’énergie, la durabilité, la fiabilité, la sécurité, et l’éco-conception des composants, l’optimisation de la géométrie des composants, la réduction de la perte de charge, la réduction de taille des éléments, constituent autant de problématiques de fort enjeu de l’industrie du futur. Ces thématiques sont sources intarissables de questions scientifiques et techniques et sont au cœur des travaux du groupe thématique (GT) Milieux Fluides et Composants (MFC) en relation avec l’évolution des besoins industriels et sociétaux dans les domaines de l’efficacité énergétique et du développement durable.

Le Groupe thématique Milieux Fluidiques et Composants (MFC) rassemble l’essentiel des acteurs liés à l’expérimentation, la modélisation et la simulation numérique des milieux fluides en écoulement dans un contexte de l’efficacité (y compris énergétique) à l’échelle des composants thermo-fluidiques ou des procédés. Cette dernière est directement liée aux performances de composants particuliers (échangeurs, réacteurs, éléments de stockage…) dans lesquels s’effectuent des échanges d’énergie, de matières, d’espèces impliquant des fluides à la rhéologie complexe et/ou des suspensions. L’amélioration des performances dans ces composants repose notamment sur des techniques d’intensification des échanges, qui peuvent être passives et/ou actives, et dont l’efficacité de mise en œuvre dépend grandement du comportement rhéologique plus ou moins complexes des fluides (boues de station d’épuration, suspension, biofluides). Il est en retour possible de jouer sur la rhéologie de ces fluides pour intensifier les échanges (fluides caloporteurs innovants, etc.). Les objectifs scientifiques et technologiques de GT MFC sont d’améliorer la compréhension des phénomènes fluidiques permettant in fine de mettre au point des composants plus performants énergétiquement et durables. Cela nécessite de déterminer quelles stratégies d’intensification mettre en œuvre en fonction de la physique des phénomènes de transfert et des propriétés rhéologiques des fluides. Dans ce contexte les activités de recherche du GT MFC s’articulent autour de deux axes de recherche :

Axe 1 : Intensification par des méthodes passives et actives – Cet axe vise à développer plusieurs techniques d’intensification dont l’objectif est de réduire la surface d’échange, d’augmenter le coefficient d’échange thermique, tout en limitant les pertes de charge. Le but est, à terme, de réduire l’encombrement et/ou le coût des composants en rendant plus performant les systèmes énergétiques.  Dans ce contexte, la génération de tourbillons est une technique efficace mise en œuvre pour intensifier les échanges en optimisant la performance thermohydraulique. Cette technique consiste en une perturbation passive ou active permettant une déstabilisation de l’écoulement principal qui présente alors des propriétés de mélange et de convection plus favorable que dans sa version stable. D’autre part, la génération de chaos en régime laminaire en appliquant des déformations passives de la paroi peut augmenter d’une manière efficace les performances thermo-hydrauliques. Enfin, la génération de turbulence à basse contrainte de cisaillement imposée, par le biais de dispositifs d’agitation oscillants innovants, apparait comme une technique prometteuse d’intensification du mélange dans les bio-fluides sensibles au cisaillement.

Valorisation axe 1 :  Intensification passive des transferts : 

1. S. Hamidouche, J. V. Simo Tala, S. Russeil, Analysis of flow characteristics downstream delta-winglet vortex generator using stereoscopic particle image velocimetry for laminar, transitional, and turbulent channel flow regimes, Phys. Fluids, 32, 054105 (2020).

2. S. A. Bahrani, N. Périnet, M. Costalonga, L. Royon, P. Brunet, Vortex elongation in outer streaming flows, Exp Fluids, 61 (3), 1-16 (2020).

3. H. Karkaba, T. Dbouk, C. Habchi, S. Russeil, T. Lemenand, D. Bougeard, Multi objective optimization of vortex generators for heat transfer enhancement using large design space exploration, Chem. Eng. Process., 154, 107982 (2020). 

Axe 2: Ecoulement des Fluides Complexes – Les recherches menées dans cet axe portent sur l’hydrodynamique et les transferts en milieux complexes (fluides non Newtoniens, suspensions de particules, bio-fluides…).  La nécessité de mieux comprendre les mécanismes qui régissent les écoulements des fluides complexes est d’autant plus grande que ces milieux sont rencontrés dans de nombreuses applications industrielles. Les enjeux scientifiques et technologiques sont liés à la structuration-déstructuration de ces milieux complexes lorsqu’ils sont soumis à différents types d’excitations (hydrodynamique, thermique, mécanique, vibro-acoustique, etc.). En vue d’optimiser au niveau opérationnel l’écoulement dans un tel milieu, il est alors nécessaire de quantifier les interactions entre l’inertie et la rhéologie dans les contextes de la transition vers la turbulence. Nous cherchons à maîtriser l’instabilité et à développer des techniques de contrôle d’écoulement. 

Les activités de ces deux axes de recherche sont équilibrées entre la recherche fondamentale (TRL 1-3) et applicative, avec une finalité à l’échelle de la maquette de laboratoire ou de la preuve de concept (TRL 5-6). Ceci nécessite l’utilisation et le développement d’outils numériques et expérimentaux performants, à différentes échelles géométriques, ainsi qu’une quantification et analyse des écoulements en interaction avec le comportement rhéologie des fluides complexes, de la structuration des surfaces d’échange et, le cas échéant, des transferts dans les parties solides. 

Valorisation axe 2 :  Transfer in complex fluids :

1. A. Charles, F. Romano, T. Ribeiro, S. Azimi, V. Rocher, J-C. Baudez, S. A. Bahrani, Laminar-turbulent intermittency in pipe flow for an Herschel-Bulkley fluid: Radial receptivity to finite-amplitude perturbations, Phys. Fluids, DOI: 10.1063/5.0128748 (2022).

2. M. Moazzen, T. Lacassagne, V. Thomy, S. A. Bahrani, Torque scaling at primary and secondary bifurcations in a Taylor–Couette flow of suspensions, J. Fluid Mech., 937, A2 (2022).

3. T. Lacassagne, T. Boulafentis, N. Cagny, S. Balabani, Modulation of elasto-inertial transitions in Taylor–Couette flow by small particles, J. Fluid Mech., 929, R2 (2021).