Simulations de suspensions non-Browniennes concentrées avec OpenFOAM

Les suspensions concentrées de particules solides sont omniprésentes dans l’industrie ainsi que dans les écoulements biologiques et naturels : le béton frais, les propergols des lanceurs, le sang et la lave en sont quelques exemples.

Les propriétés rhéologiques de ces suspensions sont complexes et encore pour partie incomprises. Elles résultent notamment des effets croisés des interactions hydrodynamiques et de contact entre particules. Du fait de la complexité des mécanismes mis en jeu à l'échelle des particules, les simulations numériques constituent un outil privilégié permettant d'approfondir ce lien microscopique / macroscopique. Par ailleurs, une partie des questions ouvertes concerne le transport de particules (la « migration induite par le cisaillement »), dont l'étude nécessite la simulation de systèmes de grande taille.

Nous développons une méthode numérique massivement parallélisée pour la simulation tridimensionnelle de ces suspensions denses, polydisperses et non-Browniennes. Il s'agit d'une méthode basée sur une approche de type domaine fictif, où le fluide et les particules solides partagent le même maillage. La rigidité des particules est assurée par l'introduction d'un champ de force adéquat.

Nous avons implémenté cette méthode dans l'environnement OpenFOAM, une boîte à outils sous licence libre et open source pour la résolution des équations de la mécanique des fluides par la méthodes des volumes finis. Nous entendons proposer un modèle complet qui tienne compte de tous les phénomènes caractérisant ces suspensions à l'échelle des particules – interactions hydrodynamiques à longue portée, lubrification entre particules et avec les parois, forces de contact. On pourra ainsi étudier finement l'influence de ces mécanismes sur la rhéologie, mieux comprendre les mesures expérimentales et enfin proposer des modèles macroscopiques, rhéologiques et de transport des particules, utilisables pour le calcul d'écoulement complexes.

Le mésocentre de calcul Azzurra – le nouveau cluster HPC de l’Université Côte d’Azur – nous fournit la puissance de calcul nécessaire pour mener à bien cette entreprise. Nous bénéficions à la fois d'un matériel de haute performance et d'un support technique efficace et disponible nous permettant d'avancer rapidement et faisant d'Azzurra un atout fondamental de notre projet.

Ce projet bénéficie du soutien de l'ANR (projet AMARhéo ANR-18-CE06-0009).


 

Simulations de suspensions non Browniennes concentrées avec OpenFOAM est un projet mené au sein de l’Institut de Physique de Nice, CNRS, Université Côte d’Azur par François PETERS (Maître de Conférences), Laurent LOBRY (Maître de Conférences) et Michel ORSI (Doctorant), de l'équipe de recherche Rhéologie des suspensions concentrées.