Analytical and practical analysis of frictional-kinetic model for dense and dilute gas-solid flows

In granular flows, when the solid volume fraction is large, the dynamic behaviour of particles becomes controlled by frictional effects. Theoretically these effects can not be taken into account in an Eulerian approach, based on the kinetic theory of granular flows, because the inter-particle contact times are long. However, in the literature several empirical models have been proposed which introduce a frictional pressure and viscosity. In the paper, these models are first compared on a simple case of sheared dense granular flows in order to analyze the individual behavior of each model. Second, the models have been implemented in an Eulerian solver and numerical simulations have been performed of an experiment of bin discharge. The results show that for large diameter, the solid mass flow rate is well predicted, while it is systematically underestimated when the ratio between the injector diameter and the diameter of particles is small

Caractérisation expérimentale de la dispersion d'un pseudo-polluant d'usinage

Dans le cadre du développement d'une méthode numérique de conception des captages de polluants sur machines d'usinage, un banc d'essai recréant une situation similaire à une opération de meulage est utilisé. Le jet de polluant particulaire obtenu est caractérisé par la vélocimétrie par suivi de particules (PTV) afin d'obtenir des données d'entrée et de validation pour les simulations numériques. Ensuite, le traçage gazeux par SF6 est utilisé pour mesurer la concentration des plus fines particules. Nous présentons ici ces résultats expérimentaux, ainsi que le banc d'essai réalisé

Eulerian modelling of the powder discharge of a silo: Attempting to shed some light on the origin of jet expansion

Powder discharging from a silo provokes an emission of dust. To understand and prevent this source of danger,3D simulations of a silo dischargewere performed using an Euler-Euler approach. The impact of the coupling between the flow inside the silo and the granular jet in free-fall is analyzed. Results show that the solid mass flow rate is correctly predicted and that gas back-flowing at the hopper exhaust appears responsible for the formation of a fluctuating and radially expanding jet. However, the radial expansion of the free-falling jet is underestimated. Stochastic fluctuations of the particles velocity at the hopper exhaust are introduced to evaluate their effect on the downstream development of the free-falling jet. These fluctuations are found capable of generating a development of the jet similar to that observed experimentally. This suggests that the granular flow conditions at the hopper exhaust are responsible for the further dispersion of powder

Comparison of geometrical layouts for a multi-box aerosol model from a single-chamber dispersion study

Models are increasingly used to estimate and pre-emptively calculate the occupational exposure of airborne released particulate matter. Typical two-box models assume instant and fully mixed air volumes, which can potentially cause issues in cases with fast processes, slow air mixing, and/or large volumes. In this study, we present an aerosol dispersion model and validate it by comparing the modelled concentrations with concentrations measured during chamber experiments. We investigated whether a better estimation of concentrations was possible by using different geometrical layouts rather than a typical two-box layout. A one-box, two-box, and two three-box layouts were used. The one box model was found to underestimate the concentrations close to the source, while overestimating the concentrations in the far field. The two-box model layout performed well based on comparisons from the chamber study in systems with a steady source concentration for both slow and fast mixing. The three-box layout was found to better estimate the concentrations and the timing of the peaks for fluctuating concentrations than the one-box or two-box layouts under relatively slow mixing conditions. This finding suggests that industry-relevant scaled volumes should be tested in practice to gain more knowledge about when to use the two-box or the three-box layout schemes for multi-box models

Étude des écoulements d'air et de particules au voisinage de pièces en mouvement :<br />application à la conception des captages sur machines tournantes réalisant des opérations d'usinage

The aim of this work is to contribute to the development of a new design method for close capture exhaust systems for machining pollutants, based on the numerical simulation of particles-laden airflows induced by rotating tools.Firstly, using numerical experiments and bibliography, we demonstrate the feasibility and interest of using large eddy simulation, coarsely resolved in the near-wall region (or VLES standing for Very Large Eddy Simulation), coupled with lagrangian tracking of particles, to model machining induced two-phase flows, and accurately reproduce particles-turbulence interaction.Secondly, we definitively validate the selected models using the extensive experimental data collected on an original test-rig, recreating a pseudo machining operation. In this experimental device, a stable particle stream with a controlled flow rate is obtained by pushing spherical glass particles in a pipe against a rotating cylinder. The jet of particles in the test-rig is characterized using phase Doppler particles analyser (PDPA), and the airflow properties are measured thanks to particle image velocimetry (PIV), this last technique requiring the development of a specific code in order to discriminate the two phases involved.The comparison between measurements and simulations opens new prospects concerning the industrial use of large eddy simulation applied to multiphase flows.L'objectif de recherche développé dans cette thèse est d'initier une méthode de conception des dispositifs de captage des polluants d'usinage basée sur la prédiction par simulation numérique des écoulements d'air et de particules induits par les machines tournantes.La recherche des modèles numériques les mieux adaptés aux écoulements rencontrés s'est conduite en deux étapes. Sur la base de recherches bibliographiques et d'expérimentations numériques, la première étape démontre l'intérêt et la faisabilité de la simulation des grandes échelles sous-résolue en paroi (ou VLES pour Very Large Eddy Simulation), couplée au suivi lagrangien de particules, pour modéliser les écoulements diphasiques d'usinage, et rendre compte finement de l'interaction particules-turbulence.Dans la seconde étape, une importante campagne expérimentale, menée sur un banc d'essai original représentatif d'une opération d'usinage, sert de base pour valider définitivement les modèles retenus. Dans le dispositif réalisé, un jet de particules stable et de débit contrôlé est créé en poussant dans une buse des microbilles de verres sphériques contre un cylindre en rotation. L'écoulement de la phase particulaire dans le banc d'essai est caractérisé par analyseur de particules phase Doppler (PDPA), et le champ de vitesse de la phase gazeuse par vélocimétrie par image de particules (PIV), cette dernière technique nécessitant le développement d'un code spécifique pour discriminer les phases en présence.La comparaison des mesures et des résultats de simulation ouvre des perspectives nouvelles concernant l'applicabilité industrielle de la simulation des grandes échelles aux écoulements multiphasiques

Etude des écoulements d'air et de particules au voisinage de pièces en mouvement (application à la conception des captages sur machines tournantes réalisant des opérations d'usinage)

L'objectif de recherche développé dans cette thèse est d'initier une méthode de conception des dispositifs de captage des polluants d'usinage basée sur la prédiction par simulation numérique des écoulements d'air et de particules induits par les machines tournantes. La recherche des modèles numériques les mieux adaptés aux écoulements rencontrés s'est conduite en deux étapes. Sur la base de recherches bibliographiques et d'expérimentations numériques, la première étape démontre l'intérêt et la faisabilité de la simulation des grandes échelles sous-résolue en paroi (ou VLES pour Very Large Eddy Simulation), couplée au suivi lagrangien de particules, pour modéliser les écoulements diphasiques d'usinage, et rendre compte finement de l'interaction particules-turbulence. Dans la seconde étape, une importante campagne expérimentale, menée sur un banc d'essai original représentatif d'une opération d'usinage, sert de base pour valider définitivement les modèles retenus. Dans le dispositif réalisé, un jet de particules stable et de débit contrôlé est créé en poussant dans une buse des microbilles de verres sphériques contre un cylindre en rotation. L'écoulement de la phase particulaire dans le banc d'essai est caractérisé par analyseur de particules phase Doppler (PDPA), et le champ de vitesse de la phase gazeuse par vélocimétrie par image de particules (PIV), cette dernière technique nécessitant le développement d'un code spécifique pour discriminer les phases en présence. La comparaison des mesures et des résultats de simulation ouvre des perspectives nouvelles concernant l'applicabilité industrielle de la simulation des grandes échelles aux écoulements multiphasiques.The aim of this work is to contribute to the development of a new design method for close capture exhaust systems for machining pollutants, based on the numerical simulation of particles-laden airflows induced by rotating tools. Firstly, using numerical experiments and bibliography, we demonstrate the feasibility and interest of using large eddy simulation, coarsely resolved in the near-wall region (or VLES standing for Very Large Eddy Simulation), coupled with lagrangian tracking of particles, to model machining induced two-phase flows, and accurately reproduce particles-turbulence interaction. Secondly, we definitively validate the selected models using the extensive experimental data collected on an original test-rig, recreating a pseudo machining operation. In this experimental device, a stable particle stream with a controlled flow rate is obtained by pushing spherical glass particles in a pipe against a rotating cylinder. The jet of particles in the test-rig is characterized using phase Doppler particles analyser (PDPA), and the airflow properties are measured thanks to particle image velocimetry (PIV), this last technique requiring the development of a specific code in order to discriminate the two phases involved. The comparison between measurements and simulations opens new prospects concerning the industrial use of large eddy simulation applied to multiphase flows.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Numerical Analysis of Dust Emission by Powder Discharge and Jet Expansion

The paper deals with the Euler-Euler numerical simulation of an experimental study (Ansart et al., 2009 [1]) of freely falling granular jet for investigating the dispersion of dust. The configuration is a bunker, where quasi-static particulate flow takes place, and a free-fall chamber. As a first step, a frictional viscosity model developed by Srivastava and Sundaresan (2003) [2] is implemented to take into account the frictional effects occurring in the quasi-static particulate flows. Without the frictional model for the viscosity, the numerical simulations overpredict the solid mass flow rate at the outlet of the bunker. When using the frictional viscosity, the solid mass flow rate is in better accordance with the experimental value. However, the solid velocity is overestimated in numerical simulations

An inverse experimental approach to quantify the temporal release rate of unknown remote aerosol sources

Deploying mitigation strategies to prevent exposure to hazardous airborne particles relies firstly on identifying and characterizing the sources of pollution. As the location of aerosol sources may be unknown or variable, and their generation rates fugitive, there is a need of developing tractable methods allowing the distant characterization of such sources in the field. The present paper proposes and evaluates an inverse experimental method which enables the reconstruction of the time-varying generation rate of a single aerosol source. The method is suitable for cases where the air flow is statistically steady (forced ventilation) and requires only a reference aerosol source and a real-time concentration sensor. The underlying theory of the method is exposed and situated among existing works. The method is then applied experimentally to hand-held woodworking machines placed in a ventilated cabin, and its performances are directly evaluated by considering the mass balance of the process. Results show that the method is particularly efficient in estimating the total mass of particles released in air. This allows for instance classifying polluting processes with respect to their emission potential and building release libraries, which has important impacts on environmental and occupational hygiene

Simulation 3D instationnaire d’un jet tombant de particules avec un modèle hybride granulaire-cinétique

L'écoulement 3D d’un jet tombant de particules fines sortant librement d'un silo est simulé en utilisant l'approche à deux fluides, dite Euler-Euler, et les résultats sont comparés à des données expérimentales. Les simulations montrent que la prise en compte de la viscosité frictionnelle entre les particules et du frottement entre les particules et la paroi a une grande influence sur le débit des particules en sortie du silo et permet de retrouver les valeurs expérimentales. Cependant, la vitesse moyenne verticale des particules en air libre est mal prédite. Les particules tombent en masse, pratiquement sans interaction avec l’air environnant. En revanche, si les évents disposés sur la partie haute du silo sont fermés, les simulations montrent un ralentissement marqué de la vitesse du jet de particules proche des données expérimentales. Cet effet est lié à la remontée de bulles d'air dans le silo dues à la conservation de volume du mélange qui entraine une dispersion radiale des particules