Experimental and numerical study of the hydrodynamics of an isolated bubble in non-Newtonian liquid phase in a thin gap bubble column

International audienceDevelopment of photobioreactors (PBR) for microalgae cultivation is a primary concern, keeping in mind the applicative potential of these photosynthetic microorganisms. For this purpose, optimization of culture parameters and PBRs design are the two possible solutions in order to obtain high volumetric productivities. The thin-gap intensified PBR allows to obtain these performances via an increase of culture concentration for a given illuminated surface. When compared with usual PBRs, the confinement results in a high change of the hydrodynamics and mass transfer[1]. To optimize these production systems, our study focuses on the characterization of local hydrodynamics in a 2D bubble column of 4 mm thickness (FIG. 1). Furthermore, it has been shown that the increase in cell concentration is accompanied by rheological properties modifications of the microalgae suspension. To mimic such high concentration of Chlorella vulgaris cultures which have non-Newtonian shear thinning behaviour at concentrations ranging from 30-40 g/L[2], solutions of Xanthan Gum (XG) and Carboxymethyl cellulose (CMC) are used respectively at the concentrations of 1 g/L and 2 g/L. In order to put forward the effect of the rheological behaviour, demineralized water is also used as a Newtonian fluid. In this preliminary work, the main purpose is to estimate the terminal velocity (V t) of an isolated bubble in this confined column. In fact, if the terminal velocity for an isolated bubble is modified due to wall effects, there will have consequences for hydrodynamics and mass transfer of the whole bubble column: for instance, bubble residence time or gas hold up will be modified[1]. B.Figueroa Espinoza et al. [3] reported the confinement effect for a single clean bubble, pointing out that the drag coefficient widely increases for oscillating bubbles rising in a Hele-shaw cell. The experimental part consists in studying the local hydrodynamics behaviour of isolated bubbles of different diameters for three liquid media: water, CMC and XG solutions. Capillaries tubes, having diameters (d c) of 0.127, 0.264, 0.508, 0.762 or 1.016 mm are used to generate isolated bubbles at different diameter sizes with the help of a low-pressure syringe pump (NEMESYS, GERMANY). Bubble injection is performed 7 cm away from the lateral wall which can be considered sufficient to avoid wall influence on the hydrodynamics of isolated bubble. Bubble size and instantaneous bubble velocity are estimated by a shadowgraphy method using the DANTEC DYNAMICS Shadow Strobe. These measurements are performed at mid height of the column, where bubble terminal velocities have been reached. The experimental terminal velocities for different bubble diameters (d b) in water, CMC and XG liquid media are reported in Table 1 and plotted in FIG. 2(a). Water measurements are also compared to the correlation established by M.Jamialahmadi et al.[4] and the data of R.Clift et al. [5] which concern isolated bubble in pure water in infinite liquid medium (FIG. 2(b)). It is found that for an isolated bubble rising in quiescent liquid, with a diameter lower than 4 mm, the terminal velocity is divided by V t ratio between 1.2 and 1.6 for water. Besides this in non-Newtonian solutions, for lower bubble diameters the terminal velocity is less than water medium and as the bubble diameter increases it becomes constant this phenomena was also experienced by Shahram Amirnia et al.[6]. In parallel to experiments, a numerical study is performed to characterize the behaviour of one single bubble in the confined space between two walls in Newtonian and Non-Newtonian media. Simulations are performed with academic Ansys Fluent 17.2 solver using volume of fluid (VOF) method for interface tracking along with continuum surface Force (CSF) model to treat surface tension. Firstly, mesh independency verification has been performed by 2D and 3D simulations of a 3 mm diameter bubble in infinite medium. These results have been validated with the results of F.Bertola et al.[7](FIG.2(b)). Thereafter the same confined geometry as experimental setup has been adopted to simulate the bubble diameters determined experimentally. Numerical results are reported in FIG. 2(b) and seem to be in good agreement with the experiments results (FIG 2(b))

OPTIMISATION DE L'HYDRODYNAMIQUE DANS DES PHOTOBIOREACTEURS A HAUTE PRODUCTIVITE VOLUMIQUE POUR EVITER LE DEVELOPPEMENT DE BIOFILM

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PRIAM : Technologie de rupture pour une production contrôlée et intensifiée de microalgues. Etude de l'hydrodynamique en vue d'éviter le développement de biofilm dans de tels systèmes intensifiés

International audienceDepuis quelques années, les microorganismes photosynthétiques (microalgues et cyanobactéries) offrent un potentiel de valorisation et de développement important dans de nombreux domaines d'applications (cosmétique, pharmaceutique [1], [2], nutraceutique, complément alimentaire, énergie, captage de CO 2 , etc.). Cependant, leur production requiert un développement de technologies spécifiques fournissant les conditions nécessaires à la croissance photosynthétique. De nombreuses avancées ont été réalisées ces dernières années dans l'ingénierie de tels systèmes, permettant de proposer des solutions innovantes pour la conception de technologies de rupture adaptées à la production industrielle contrôlée et intensifiée de microalgues [3], [4]. C'est dans ce contexte que PRIAM a été développé pour atteindre des performances exceptionnelles par rapport aux systèmes existants (Tableau 1). PRIAM est un photobioréacteur plan avec illumination volumétrique interne (panneau double face lumineux Lightex®). Il a été conçu en intégrant les dernières avancées scientifiques dans l'ingénierie des photobioréacteurs, tout en répondant aux attentes spécifiques d'un développement biotechnologique des microalgues, nécessitant des unités de production modulaires (10 à 1000 L) à productivité constante et satisfaisant de fortes contraintes de contrôle et de robustesse. Le concept de la technologie PRIAM qui vise la production contrôlée de microorganismes photosynthétiques, tout en ayant une productivité élevée (4 kg/m 3 /jour de biomasse sèche) est particulièrement adapté à la production industrielle de molécules à haute valeur ajoutée. Ce développement a débouché sur la création de la start-up Algolight, qui cible les applications du domaine de la santé humaine, secteur ayant besoin de produire des microalgues de manière contrôlée et intensifiée. Dans ce type de photobioréacteur intensifié, l'un des verrous majeurs est l'hydrodynamique, qui doit être optimisé en raison du confinement et de l'augmentation de la viscosité de la culture à haute concentration cellulaire, viscosité qui peut avoir un comportement non newtonien pour certaines souches de microalgues comme c'est le cas de Porphyridium cruentum (Fig. 1); le transfert gaz-liquide doit être maitrisé pour que le dioxyde de carbone ne soit pas limitant pour la croissance des microorganismes photosynthétiques et pour qu'il n'y ait pas d'accumulation de dioxygène [6] ; ainsi que de formation de biofilm. Cette présentation a pour objectif de présenter cette technologie de rupture et d'apporter des réponses aux problématiques d'hydrodynamique en optimisant notamment l'injection de gaz sur une solution modèle se rapprochant de Porphyridium et des transferts gaz-liquide pour l'aspect biofilm en travaillant en conditions réelles

Optimisation dynamique et commande non linéaire d'un réacteur de polymérisation en émulsion

Not availableLa demande de polymères de propriétés spécifiques et de haute performance est actuellement très forte. Par ailleurs, l'amélioration de la productivité, et la maitrise du fonctionnement des réacteurs de polymérisation sont essentielles. L’optimisation et la commande des procédés de polymérisation revêtent par conséquent une très grande importance pour l'industrie des polymères. En raison des difficultés de modélisation, de la forte non linéarité des systèmes mis en jeu, du manque de mesures en ligne, l'optimisation et la commande de ces réacteurs sont cependant particulièrement ardues. Ceci est d'autant plus vrai pour des procédés complexes tels que la polymérisation en émulsion. Cette étude porte sur l'optimisation dynamique et la commande non linéaire d'un réacteur discontinu de copolymérisation en émulsion du styrène et de l'alpha-méthylstyrène. Un modèle dynamique du système, indispensable au développement d'algorithmes d'optimisation et de commande non linéaire, à d'abord été développé. Il s'agit d'un modèle de tendance, qui permet la description des principales variables du procède. L’optimisation dynamique a consisté à rechercher des profils de température permettant de maximiser la productivité, tout en imposant des contraintes sur la qualité du produit final et sur la capacité de refroidissement du réacteur. Elle a montré que, pour une réaction de polymérisation en émulsion, cet objectif pouvait être réalisé en maintenant une température maximale pendant l'étape de nucléation, et en diminuant ensuite la température suivant la masse molaire souhaitée du polymère final. Une étude en simulation de la commande non linéaire géométrique du réacteur a montré de bonnes performances de ce type de commande pour la poursuite de profils de température. Un estimateur d'état est par ailleurs indispensable pour effectuer une telle commande : le filtre de Kalman étendu a été utilisé et a permis une bonne estimation des principales variables. Enfin, l'étude expérimentale a permis de valider les différentes étapes du travail

Optimisation dynamique et commande non linéaire d'un réacteur de polymérisation en émulsion

Not availableLa demande de polymères de propriétés spécifiques et de haute performance est actuellement très forte. Par ailleurs, l'amélioration de la productivité, et la maitrise du fonctionnement des réacteurs de polymérisation sont essentielles. L’optimisation et la commande des procédés de polymérisation revêtent par conséquent une très grande importance pour l'industrie des polymères. En raison des difficultés de modélisation, de la forte non linéarité des systèmes mis en jeu, du manque de mesures en ligne, l'optimisation et la commande de ces réacteurs sont cependant particulièrement ardues. Ceci est d'autant plus vrai pour des procédés complexes tels que la polymérisation en émulsion. Cette étude porte sur l'optimisation dynamique et la commande non linéaire d'un réacteur discontinu de copolymérisation en émulsion du styrène et de l'alpha-méthylstyrène. Un modèle dynamique du système, indispensable au développement d'algorithmes d'optimisation et de commande non linéaire, à d'abord été développé. Il s'agit d'un modèle de tendance, qui permet la description des principales variables du procède. L’optimisation dynamique a consisté à rechercher des profils de température permettant de maximiser la productivité, tout en imposant des contraintes sur la qualité du produit final et sur la capacité de refroidissement du réacteur. Elle a montré que, pour une réaction de polymérisation en émulsion, cet objectif pouvait être réalisé en maintenant une température maximale pendant l'étape de nucléation, et en diminuant ensuite la température suivant la masse molaire souhaitée du polymère final. Une étude en simulation de la commande non linéaire géométrique du réacteur a montré de bonnes performances de ce type de commande pour la poursuite de profils de température. Un estimateur d'état est par ailleurs indispensable pour effectuer une telle commande : le filtre de Kalman étendu a été utilisé et a permis une bonne estimation des principales variables. Enfin, l'étude expérimentale a permis de valider les différentes étapes du travail

Étude expérimentale et numérique de la dispersion d'aérosols dans le sillage d'une roue de véhicule

S il est admis que la pollution particulaire observée sur les sites industriels est issue des étapes de production et de fabrication, il est en revanche peu fréquent de considérer le phénomène d aérosolisation de particules provoqué par le passage du véhicule. Qu il s agisse de routes goudronnées ou de voies industrielles, la circulation de véhicule est à l origine de l envol de particules présentes naturellement à leur surface. Anecdotique dans certaines situations urbaines, cette source d émission peut se révéler très préoccupante dans un contexte industriel. L exposition des travailleurs aux particules dans des secteurs d activités tels que les carrières, les chantiers BTP, les cimenteries, etc. constitue une préoccupation majeure pour les hygiénistes industriels. Sur la base d une recherche bibliographique, les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à la caractérisation de la source d émission principale. Ils visent une description aérodynamique détaillée du sillage d une roue de véhicule et l illustration, pour les différentes configurations expérimentales, de la répartition spatiale des particules aérosolisées en aval du point de contact de la roue avec le sol. Ce travail de recherche s inscrit dans un cadre expérimental élargi à la simulation. Adossé à une étude numérique, l ensemble de l expérimentation s est déroulé en laboratoire dans des conditions opératoires maîtrisées. A terme, cette investigation scientifique posera les fondements d une réflexion sur les moyens technologiques qui pourront être déployés pour garantir une atténuation significative des émissions de poussières provoquées par la circulation de véhicules en situation industrielleWhilst it is common knowledge that fuel combustion in a motorised vehicle generates gaseous and particulate pollution, particles emission caused by a travelling vehicle is accounted for to a much lesser extent. Whether a vehicle is moving on motorways, roads, unpaved roads or industrial soils, it projects particles that are naturally present on the ground. This case represents a significant diffuse emission source, depending principally on the speed of the vehicle, on the load and on the humidity of the road surface material. Studying the aerodynamic behaviour of air in the vicinity of wheels under real conditions is not easy from an experimental point of view and numerical models are difficult to validate. Insufficient knowledge of this issue and the complexity of this type of aerodynamic behaviour support the preferred option of studying a simple case, such as an isolated wheel The goal of this work is to provide background information on the aerosol spreading in the field close to a vehicle rotating wheel. From a state of the art on this issue, this study was to assess the airflow and particles experimental behaviour around a wheel integrating the presence of patterns on the surface of the tire. While not claim a comparative study between different pattern geometries, this work is to highlight the differences between flow around a smooth wheel and patterned wheel. This research is based on the experimentation extended to the simulation. It will be the bases for a reflection on the possibilities of devices development to reduce dust emissions caused by the movement of industrial vehiclesNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Particle dispersion in the near-wake of an isolated rotating wheel: Experimental and CFD study

International audienceThe aim of the present study is the characterisation of the fine particle dispersion in the wake of an isolated wheel of vehicle. The work performed in this study lies within the description and the understanding of the transport of re-suspended road dust emissions induced by the circulation of vehicles. The behaviour of PM2.5 fraction in the field near to the wheel was investigated for two rotating velocities and two types of tyres, both experimentally and using Computational Fluid Dynamics (CFD). Experiments were carried out in a wind tunnel equipped by moving ground with carefully controlled aerodynamic conditions. CFD methods were used to calculate the velocity field of the air flow around a rotating wheel and to determine the trajectories for different particle sizes. The experiments reveal a strong impact of the nature of tyre both on the velocity field of the flow and the particle dispersion in the near wake of the wheel. In this simple case of an isolated wheel, the simulated flow was quite similar to the corresponding experimental results, although prediction of the flow located in the region of the point of contact between the wheel and the ground could be improved

Numerical investigation of swirling flow in cylindrical cyclones

International audienceThis paper constitutes a preliminary study of the two-phase flow in a Gas-Liquid Cylindrical Cyclone (GLCC 1) separator. A GLCC consists in a vertical pipe with a downward inclined tangential inlet. The incoming flow forms a swirling motion producing a centrifugal force. The gas and liquid are thus separated due to both centrifugal and gravity forces. Therefore the separation efficiency is higher than for conventional vessel type separators, allowing more compactness. In this study, the aim is to better understand the swirling hydrodynamics of this separator via CFD simulations. Therefore, the single-phase hydrodynamics is calculated for swirling flows generated by means of tangential injection(s) in a straight pipe. Geometry and flow conditions are chosen according to the experimental study of Erdal (2001a), who performed local measurements of the axial and tangential velocities. BANS, URANS and LES simulations are carried out using different turbulence models and different near wall treatments. Among the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) models, the high-Reynolds realizable kappa-epsilon model performs the best for predicting the local mean axial and tangential velocities. Its results are as good as the LES ones when the fluid is injected through only one inlet, while LES predicted flow is closer to the experimental one for two inlets. Numerical results also show that, contrary to the common approximation of the literature, the radial velocity magnitude is not negligible. The vortex core precession is well predicted by the simulations, which show that its direction is the opposite of the swirl one. We think that the growth of the turbulence kinetic energy in the core of the flow is directly linked to this phenomenon. Finally computations are conducted to investigate the effect of the inlet geometry on the cyclone hydrodynamics. According to simulations, the rectangular inlet performs better than a circular one, since it reduces the vortex distortion, which is supposed to improve the separation efficiency

CO 2 gas–liquid mass transfer and k L a estimation: Numerical investigation in the context of airlift photobioreactor scale-up

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Etude expérimentale et numérique de séparateurs gaz-liquide cyclindriques de type cyclone

Ce travail se penche sur l'étude expérimentale et la simulation numérique du GLCC, un séparateur gaz-liquide cyclonique destiné à de l'industrie pétrolière.Les expériences sont menées sur un pilote air-eau. Dans un premier temps, des observations visuelles ont permis de caractériser le fonctionnement du système en fonction des débits d'entrée. L'influence de la géométrie du système ainsi que des propriétés des fluides sont également considérées.Dans un second temps, l'hydrodynamique de l'écoulement tourbillonnaire dans le séparateur est étudiée par vélocimétrie laser Doppler.Cette étude expérimentale, en mettant l'accent sur le rôle important du fillament tourbillonnaire, a permis d'expliquer pour la première fois divers aspects des écoulements tourbillonnaires turbulents. L'analyse des résultats met également en évidence les nombreuses limites du modèle théorique utilisé pour dimensionner les GLCCs.Côté numérique, les écoulements tourbillonnaires en conduite sont étudiés par une approche CFD utilisant le code commercial Fluent 6.3. Les résultats montrent que la CFD peut reproduire correctement les écoulements tourbillonnaires monophasiques. Cependant, en diphasique, les techniques de simulation actuelles ne conviennent pas pour simuler ce type d'écoulement.This work focuses on the experimental study and numerical simulation of the GLCC, a gas-liquid cyclone separator developed for the oil industry.The experiments are conducted on an air-water pilot. In a first step, visual observations were used to characterize the system operation according to the incoming flow rates. The influence of system's geometry and the fluid's properties are also considered.In a second step, the hydrodynamics of the vortex flow in the separator is studied by laser Doppler velocimetry.This experimental study, focusing on the important role of the vortex filament, allowed to explain for the first time various aspects of turbulent swirling flows. The analysis of the results also highlights the many limitations of the theoretical model used to design the GLCC.On the numerical side, the swirling flows in pipes are studied via the CFD commercial code Fluent 6.3. The results show that CFD can correctly reproduce the single-phase vortex flow.However, for multiphase flow simulations, it is shown that the current simulation techniques are not suitable to simulate this type of flow.NANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF