Modélisation des écoulements de poudre dans les dispositifs agités : des études rhéologiques à la simulation prédictive à l'échelle du procédé // Modelling powder flows in Agitated Devices: from rheological studies to predictive SIMulation at process scal

Ce travail vise à modéliser et simuler les écoulements de poudre dans des équipements industriels agités, un défi majeur étant donné que la poudre se comporte de manière variable comme un solide, un fluide ou un gaz. Le choix des paramètres de conception et de fonctionnement de ces dispositifs est souvent déterminé de manière empirique à partir d'expériences ou en s'appuyant sur des modèles rhéologiques par défaut. Il est primordial de rationaliser ces choix afin de garantir la qualité des produits et la sécurité des processus. À cette fin, les techniques de modélisation existantes se heurtent à des limites importantes. Si l'analyse dimensionnelle nécessite des invariants établis et une connaissance précise des phénomènes, les méthodes numériques telles que la modélisation par éléments discrets (DEM), bien qu'elles fournissent un accès précis aux trajectoires et aux vitesses des particules, exigent un temps de calcul considérable, ce qui les rend irréalistes pour les équipements à grande échelle utilisant des poudres réelles [1]. En tant qu'approches plus macroscopiques, les modèles de mécanique des milieux continus, tels que ceux de type CFD [2], permettent des simulations à plus grande échelle, mais dépendent de la connaissance des lois constitutives spécifiques à la rhéologie des poudres [3][4]. Une modélisation précise des phénomènes impliqués dans la rhéologie des poudres est donc essentielle pour la conception rationnelle des équipements.
Des travaux récents [5] ont observé un écoulement en phase dense dans des mélangeurs horizontaux qui peut être décrit par la rhéologie mu(I) [6][7][8]. Cette relation révèle la transition entre les régimes de friction et de pré-collision et peut être utilisée comme base invariante pour la mise à l'échelle des processus [9]. Cependant, ces résultats doivent être consolidés et étendus des milieux granulaires modèles aux poudres réelles [10]. La thèse vise à explorer les approches rhéologiques et les modèles de mécanique des milieux continus pour simuler ces écoulements. Un mélangeur pilote instrumenté sera utilisé comme rhéomètre systémique. Des expériences physiques et numériques seront menées afin d'identifier la géométrie de la zone de cisaillement et les mécanismes à l'origine de sa formation, en lien avec les propriétés des particules et la géométrie de l'agitateur. La DEM sera spécifiquement utilisée pour caractériser les phénomènes à proximité de la zone agitée, fournissant ainsi des détails difficiles à mesurer en laboratoire. La viscosité effective identifiée imitera le comportement microscopique du fluide et contribuera au modèle macroscopique continu qui sera implémenté dans le logiciel CFD, permettant ainsi des simulations à grande échelle. La validation initiale se fera sur le mélangeur pilote, l'objectif à long terme étant d'adapter le modèle à des volumes de plusieurs centaines ou milliers de litres. L'un des principaux résultats attendus est l'établissement des principes d'un prototype de rhéomètre capable de générer des données pour les écoulements denses dans un environnement semi-confiné, comblant ainsi une lacune actuelle du marché. Ce projet ambitieux vise à appliquer les progrès de la physique granulaire à des situations industrielles réelles, dans le but ultime d'adopter une approche intégrée de la caractérisation des poudres et de la simulation des écoulements à l'échelle industrielle. Cela facilitera le développement de jumeaux numériques afin d'optimiser la conception écologique des équipements industriels et de déterminer les paramètres de fonctionnement.
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This PhD thesis aims to model and simulate powder flows in agitated industrial equipment, a critical challenge given that powder behaves variably as a solid, a fluid or a gas. The design and operation parameters choice of these devices are often determined empirically from experiments or relying on default rheological models. Rationalizing these choices is paramount for ensuring product quality and process safety. To that purpose, existing modelling techniques face significant limitations. While dimensional analysis requires established invariants and precise knowledge of the phenomena, numerical methods like Discrete Element Modelling (DEM), though providing accurate access to particle trajectories and velocities, demand substantial computing time, making them unrealistic for large scale equipment using real powders [1]. As more macroscopic approaches, continuum mechanics models, such as CFD-type [2], allow for larger-scale simulations but are dependent on knowing the constitutive laws specific to the powder rheology [3][4]. Accurate modelling of the phenomena involved in powder rheology is therefore essential for the rational design of equipment.
Recent work [5] observed dense-phase flow in horizontal mixers that can be described by the mu(I) rheology [5][7][8]. This relationship reveals the transition between frictional and pre-collisional regimes and can be used as invariant basis for scaling up processes [9]. However, these findings need consolidation and extension from model granular media to real powders [10]. The thesis aims to explore rheological approaches and continuum mechanics models to simulate these flows. An instrumented pilot mixer will be used as a systemic rheometer. Both physical and digital experiments will be conducted to identify the geometry of the shear zone and the mechanisms causing its formation, linked to particle properties and agitator geometry. DEM will be specifically utilized to characterize phenomena near the agitated zone, providing details difficult to measure in a laboratory setting. The identified effective viscosity will mimic microscopic fluid behaviour and contribute to the continuous macroscopic model that will be implemented in CFD software, allowing for large-scale simulations. Initial validation will occur on the pilot mixer, with the long-term goal of adapting the model to volumes of several hundred or thousand litres. A key deliverable is establishing the principles for a prototype rheometer capable of generating data for dense flows in a semi-confined environment, addressing a current market gap. This ambitious project seeks to apply advances in granular physics to real industrial situations, ultimately aiming for an integrated approach to powder characterization and industrial-scale flow simulation. This will facilitate the development of digital twins to optimize the eco-design of industrial equipment and determine operating parameters.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://phd.imt.fr/fr/formation/procedes-avances/1766398960-17-mad-sim-modelisation-des-ecoulements-de-poudre-dans-les

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

IMT Mines Albi

468 MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés

• Diplôme d'ingénieur ou master en génie chimique ou génie des procédés, physique appliquée, mécanique, mathématiques appliquées, mécanique des fluides, calcul scientifique. • Candidats motivés ayant un intérêt, des connaissances et des compétences en physique et en mécanique : modélisation et calcul numérique ainsi que dans le domaine expérimental. • Les candidats doivent également être capables de démontrer leur aptitude au travail en équipe, leur flexibilité, leur autonomie, leur esprit d'initiative, leur sens de l'organisation et leur curiosité intellectuelle.
• Engineering degree or Master's degree in chemical or process engineering, applied physics, mechanics, applied mathematics, fluid mechanics, scientific computing. • Motivated candidates with interest, knowledge and skills in physics and mechanics: modelling and numerical calculation as well as in experimental work • Candidates should also be able to demonstrate teamwork skills, flexibility, autonomy, initiative, organization and intellectual curiosity.