Experimental characterization and numerical simulation of packed beds of wood particles

We live in an age when energy resources become scarce : the humanity uses the energy stocks faster than stocks have time to recover. Biomass provides a wide range of potential vectors for energy. The sustainable use of biomass resources do not deregulate the homeostatic balance of the biosphere. Among the biomass feedstock, wood is undoubtedly the most largely used source of energy. There are also many ways of turning wood into another energy vector. Since it is usually unpractical to use it directly in its original form, wood is usually machined before being transformed. Once it is reduced into particles, it is common to process it in packed beds. This work proposes an heuristic to give a better understanding of phenomena in packed beds of wood particles and deduces implications from the models of phenomena inside those beds. The understanding of a particular phenomenon requires to observe or imagine it at a given spatial scale and in a given temporal frame. The scale used is specially chosen for filtering high frequency phenomena, extracting an average behavior and forgetting an insignificant part of the reality. The chosen scale depends on the level of details required when describing the phenomenon. Because it is not possible to take into account 100% of the information in the world, we need to simplify it and that is exactly what are models: simplifications of the reality Using models at different spatial scales; the aims of this thesis are to develop a method of characterization of the sawdust micro-structure; to compare the properties of wet and dry sawdust; to develop a method to perform flow simulations at micro-scale; to develop a method to perform flow simulations at meso-scale; to extract macro coefficients from numerical simulation results; and to use those results to illustrate a macro phenomenon: the sawdust convective drying.

(fre) Le bois est un matériau complexe : ses caractéristiques varient d'une essence à l'autre et dépendent également de son environnement de croissance. En tant que matériau, le bois est rarement utilisé dans sa forme naturelle. Sa transformation mène à des produits et sous-produits tels que des poutres, planches, plaquettes, copeaux, sciure, ... . Ces produits peuvent être séchés, brulés, gazéifiés. Toutes ces opérations peuvent faire intervenir des écoulements de gaz dans des empilements de particules. De part la complexité initiale du matériau et les formes diverses que prennent ses produits dérivés, les empilements de particules de bois mènent à des structures complexes. Une première partie de la thèse consiste en la mise au point de méthodes de caractérisation et en l'application de ses méthodes pour analyser des empilements de sciure de bois. Pour cela, une représentation tri-dimensionnelle d'échantillons d'empilement a été obtenue grâce à des tomographies à rayons-X réalisées au département de chimie appliquée de l'ULg. Les méthodes d'analyse mises au point ont permis de dégager des caractéristiques géométriques: basées sur la différentiation entre les phases solide et fluide, morphologiques: basées sur la forme des pores et des particules de l'empilement et topologiques : basées sur les connections interstitielles. Alors que cette première partie donne les outils et les résultats nécessaires pour reconstruire numériquement des domaines représentant des empilements, les parties suivantes s'intéressent à des modèles d’écoulement dans ces domaines. Selon l'échelle à laquelle on choisit de simuler un écoulement, une méthode particulière peut être utilisée. Un chapitre est consacré aux simulations d'écoulements à l'échelle microscopique, un autre chapitre aux simulations d'écoulements à l'échelle mésoscopique, celle qui correspond à l'échelle d'un pore et, dans un dernier chapitre, un écoulement macroscopique modélisant le séchage de sciure est simulé. Pour simuler un écoulement à l'échelle microscopique autour de particules de formes et d'arrangements divers, une méthode à frontières immergées, reposant sur la technique des "ghost-cells", a été utilisée. Cette méthode est implémentée afin de pouvoir prendre en compte plusieurs corps avec différents niveaux de précision. Cette méthode a été utilisée pour simuler un écoulement dans un milieu poreux représenté par un domaine périodique. Au lieu de résoudre l'écoulement à l'échelle microscopique, il est possible de résoudre l'écoulement à une échelle plus grossière comme celle du pore. Avec un modèle d'écoulement de type réseau, basé sur les lois de Kirchhoff appliquées au fluide, et une représentation du réseau d'interstices de l'empilement, des simulations d'écoulement ont été réalisées. Elles ont été notamment utilisées afin d'étudier le phénomène de dispersion dans ces empilements. Le dernier chapitre est dédié à un cas pratique qui est le séchage de sciure en lit. A partir de l'analyse de l'intégration d'un procédé de séchage dans une unité de cogénération industrielle, ce chapitre explique et estime les différentes grandeurs qui impactent significativement l'efficacité du procédé de séchage. En partant de la caractérisation d'empilement de morceaux de bois, cette thèse analyse les différentes grandeurs qui interviennent dans la modélisation des phénomènes qui peuvent se dérouler à l'intérieur d'un milieu poreux constitué de particules. Elle illustre ces grandeurs en proposant des méthodes pour les caractériser, en les confrontant à des résultats issus de la littérature et en les contextualisant.