Modélisation des interactions et du transport de particules dans une phase liquide : des comportements locaux aux effets à l’échelle des procédés - Université de Lorraine Access content directly
Accreditation To Supervise Research Year : 2022

Modélisation des interactions et du transport de particules dans une phase liquide : des comportements locaux aux effets à l’échelle des procédés

Abstract

Scientific and industrial challenges regarding non-metallic inclusions in processes involving liquid metal are core thematics of the research team “Process Metallurgy”, that I joined in 2013. To address the needs of such research activities, I have developped a software framework to simulate fundamental mechanisms ruling the transport and the interactions between particles in a liquid phase and to model their impacts at process scale. This piece of software couples a Lattice Boltzmann Method (LBM) to a Discrete Element Method (DEM) using an Immersed Boundary Method (IBM). This document first presents a description of the implementations of the three methods (LBM, DEM and IBM), followed by three PhD theses that were conducted at Institut Jean Lamour (Université de Lorraine) and at the University of Alberta. These projects all started at the same time, in spring 2016 and ended between the years 2019 and 2021. Matthieu Gisselbrecht (2019) and Manoj Joishi (2019) focused on topics related to the control of inclusion cleanliness in metallurgical processes, more specifically investigating the aggregation kinetics of inclusions and their capture by deposition at the walls of ladle reactors. Akash Saxena (2021) quantified restructuring and breakage of aggregates transported in a flow as well as the dependence of morphological evolution of aggregates on the cohesive and hydrodynamic interactions between the primary particles of which they are made of. Targeted applications fall in the scope of metallurgy, but the underlying physics and their mathematical modelling are transversal to multiple domains, such as colloids and aerosols.
Les enjeux scientifiques et industriels liés aux inclusions non-métalliques dans les procédés impliquant du métal liquide sont au cœur des activités de recherche de l’équipe « Procédés d’Élaboration » que j’ai rejointe en 2013. Dans le cadre de ces activités de recherche, j’ai développé un logiciel pour simuler des mécanismes fondamentaux régissant le transport et les interactions entre particules dans une phase liquide afin de modéliser leurs effets à l’échelle de procédés. Ce logiciel couple une méthode de Boltzmann sur réseau (Lattice Boltzmann Method, LBM) à une méthode des éléments discrets (Discrete Element Method, DEM) via une méthode de frontière immergée (Immersed Boundary Method, IBM). Après une description des implémentations des trois méthodes LBM, DEM et IBM, ce document présente trois travaux de recherche menés dans le cadre de thèses à l’Institut Jean Lamour (Université de Lorraine) et l’Université d’Alberta. Ces thèses ont commencé en même temps, au printemps 2016 et se sont terminées entre 2019 et 2021. Les travaux de Matthieu Gisselbrecht (2019) et Manoj Joishi (2019) ont porté sur deux sujets liés au contrôle de la propreté inclusionnaire, à savoir l’agrégation des inclusions et leur capture par dépôt aux parois du réacteur lors de l’affinage en poche. Akash Saxena (2021) a quantifié des cinétiques de restructuration et la fragmentation d’agrégats ainsi que l’effet des interactions cohésives et hydrodynamiques entre particules primaires sur l’évolution morphologique des agrégats qu’elles composent. Les principales applications visées concernent la métallurgie, mais la physique sous-jacente et les aspects mathématiques sont transverses à de multiples domaines, tels que les colloïdes et les aérosols.
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Cite

Jean-Sébastien Kroll-Rabotin. Modélisation des interactions et du transport de particules dans une phase liquide : des comportements locaux aux effets à l’échelle des procédés. Génie des procédés. Université de Lorraine, 2022. ⟨tel-03980411⟩
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