Optimisation de la conception des médias fibreux par simulation numérique et expérimentations : vers une réduction de l'impact énergétique et environnemental de la filtration // Optimization of fibrous media design through digital simulation and experimen

Les médias fibreux, composés d'un réseau de fibres principalement orientées perpendiculairement à l'écoulement, dominent le marché de la filtration tant pour des applications industrielles, environnementales ou de protection individuelle. Leur succès repose sur un équilibre entre faible coût énergétique et haute performance. Cependant, malgré leur prépondérance, l'optimisation de leurs performances initiales et de leur durée de vie reste un défi majeur. A l'heure actuelle, la composition et la structure des médias filtrants actuels, composés de fibres de verre, cellulosiques ou synthétiques (polypropylène, polyester, etc.), sont issues de l'expérience et du savoir-faire des fabricants, et rien ne permet d'affirmer que le média fabriqué présente la structure optimale.
L'objectif principal est de développer des modèles analytiques robustes pour prédire les performances (perméabilité et efficacité de collecte) de ces structures, non isotropes et souvent hétérogènes (gradient de compacité, microperforations, distribution spatiale des fibres), sous diverses conditions opératoires et pour différentes tailles de particules. Ces modèles doivent permettre le développement d'un outil d'aide à la décision pour concevoir, selon les applications cibles, les médias optimaux pour (i) minimiser la perte de charge pour une efficacité cible, (ii) maximiser l'efficacité pour une perte de charge cible, (iii) voire optimiser ces deux critères de performance dans une approche multicritères au sens de Pareto ; tout en réduisant les coûts (énergétiques, de production, et environnementaux).
Les enjeux sociétaux et économiques d'un tel développement sont multiples. Concevoir des médias plus efficaces, que ce soit pour le dépoussiérage industriel ou les équipements de protection individuelle, s'inscrit ainsi dans une démarche environnementale pour limiter les émissions de particules et leurs impacts, mais aussi de santé publique pour protéger la population. Optimiser la structure des médias a également des implications énergétiques et économiques puisque, à efficacité constante, la diminution de la perte de charge initiale d'un filtre sera directement proportionnelle au coût de fonctionnement de ce séparateur. Enfin, réaliser un filtre aux propriétés optimisées permettra de réduire le coût de production en limitant le grammage et donc les ressources (fibres) nécessaires, ou en favorisant l'ajout de fibres spécifiques moins coûteuses à la fabrication.
La méthodologie envisagée dans le cadre de ce projet consiste à l'utilisation de la CFD pour générer des structures fibreuses maîtrisées et simuler des écoulements à des échelles inaccessibles expérimentalement. La construction d'une base de données via ces expérimentations numériques permettra le développement des modèles de perméabilité et d'efficacité prenant en compte, entre autres, les hétérogénéités structurelles et le glissement à la surface des fibres submicroniques. Ce travail de simulation devra par ailleurs s'accompagner d'une validation expérimentale sur des médias commerciaux ou modèles, parfaitement caractérisés en termes de compacité, d'épaisseur et de distribution de taille de fibres. Ainsi le recours à la fabrication de formettes (au laboratoire ou par des partenaires) à partir de fibres commerciales semble être la solution la plus adaptée à la problématique. Pour mener à bien cette validation expérimentale, l'équipe dispose d'une plateforme technologique spécifique au domaine des aérosols équipée de bancs d'essais, générateurs d'aérosols, compteurs et granulomètres.
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Fibrous media, composed of a network of fibers primarily oriented perpendicular to the flow, dominate the filtration market for industrial, environmental, and personal protection applications. Their success is based on a balance between low energy cost and high performance. However, despite their prevalence, optimizing their initial performance and lifespan remains a major challenge.
Currently, the composition and structure of fibrous filter media, made from glass, cellulose, or synthetic fibers (polypropylene, polyester, …) are based on manufacturers' experience and expertise. There is no guarantee that the produced media have the optimal structure for their intended use.
The main objective is to develop robust analytical models to predict the performance (permeability and collection efficiency) of these non-isotropic and often heterogeneous structures (compacity gradients, micro-perforations, spatial fiber distribution) under various operating conditions and for different particle sizes. These models will enable the creation of a decision-support tool to design optimal media for specific applications, aiming to (i) minimize pressure drop for a target efficiency, (ii) maximize efficiency for a target pressure drop, (iii) optimize both criteria using a Pareto-based multi-criteria approach, while reducing costs (energy, production, and environmental).
Developing more efficient media, whether for industrial dust removal or personal protective equipment, aligns with environmental goals to limit particle emissions and their impact, as well as public health objectives to protect populations. Optimizing media structure also has energy and economic implications: at constant efficiency, reducing the initial pressure drop of a filter directly decreases its operating cost. Additionally, designing filters with optimal properties can reduce production costs by minimizing fiber usage (grammage) or incorporating less expensive specialty fibers.
The proposed approach involves using Computational Fluid Dynamics (CFD) to generate controlled fibrous structures and simulate flows at experimentally inaccessible scales. A database built from these numerical experiments will support the development of permeability and efficiency models, accounting for structural heterogeneities and slip effects on submicron fiber surfaces. This simulation approch will be complemented by experimental validation on well-characterized commercial or model media (compaction, thickness, fiber size distribution). To address this challenge, fabricating lab-scale samples (formettes) from commercial fibers, either in-house or with partners, appears to be the most suitable solution. The team has access to a dedicated aerosol technology platform equipped with test benches, aerosol generators, particle counters, and granulometers to carry out this experimental validation.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Enseignement supérieur

Université de Lorraine

608 SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE

Etudiant titulaire d'un diplôme d'ingénieur ou M2 en génie des procédés ou mécanique des fluides ou physique Compétences en physique des aérosols (facultatif) Appétence tant pour la simulation que l'expérimentation
Student with an engineering degree or a Master's degree in process engineering, fluid mechanics, or physics. Skills in aerosol physics (optional). Interest in both simulation and experimentation