Fluides supercritiques

L’équipe s’intéresse aux phénomènes thermo-hydrodynamiques des fluides supercritiques proches et loin du point critique d’un point de vue numérique avec pour objectif de proposer des outils pour l’étude du comportement des fluides critiques en apesanteur pour l’industrie spatiale et pour les procédés supercritiques.

1) La simulation des écoulements proches de leur point critique nécessite la mise en place d’outils numériques adaptés et performants prenant en compte les propriétés thermophysiques particulières du fluide proche du point critique. Nous avons ainsi développé un modèle compressible adapté à ce contexte. Nous nous sommes également intéressés aux problèmes très actuels des fluides critiques sous vibration soumis à une perturbation de température aux parois d’une cellule afin de quantifier et de décrire les différentes instabilités sous compensation magnétique (collaboration avec le CEA de Grenoble). Ces travaux ont mis en lumière des phénomènes étonnants comme : (i) le sous-refroidissement local proche de la paroi ; une démonstration mathématique basée sur l’analyse asymptotique raccordée a été menée en collaboration avec l’univ. de West Ontario au Canada, (ii) le mouvement de balancier des instabilités thermo-vibrationnelles, lorsque le fluide est très compressible et dû à la compression/expansion près des parois de la cellule.

Références

- Kulkarni, Y., Khayat, R., Amiroudine, S., On the long-Time transient formation of sink zones in near-critical fluids. A theoretical perspective (2021) Journal of Fluid Mechanics, 915, art. no. A117. DOI: 10.1017/jfm.2021.134
- Bestehorn, M. Sharma, D., Borcia, R., and Amiroudine, S., Faraday instability of binary miscible/immiscible fluids with phase field approach (2021) Phys. Rev. Fluids 6, 064002 , DOI: 10.1103/PhysRevFluids.6.064002
- Ganchenko, G.S., *Frants, E.A., Amiroudine, S., Demekhin, E.A., Instabilities, bifurcations, and transition to chaos in electrophoresis of charge-selective microparticle (2020) Physics of Fluids, 32 (5), art. no. 054103. DOI: 10.1063/1.5143312

2) Dans le cadre de l’étude des procédés supercritiques utilisant le CO2 ou l’eau, la stratégie combinant modélisation à l’échelle locale et simulation intensive du procédé est mise en œuvre en complémentarité des études expérimentales développées par les laboratoires partenaires. Par exemple, l’équipe s’est intéressée à l’élaboration de matériaux organiques en milieu fluides supercritiques dans des puces microfluidiques (ANR SUPERFON), en lien étroit avec les études expérimentales des partenaires. La simulation de ce procédé passe par une bonne connaissance de l’hydrodynamique et des phénomènes de nucléation et de croissance des particules. La simulation numérique intensive été utilisée comme véritable outil de recherche des meilleures conditions opératoires pour favoriser le mélange de fluides (CO2 et éthanol et ce à différentes échelles. Ces simulations numériques directes (DNS) nous ont permis de capter les plus petites échelles du mélange et notamment celles du micromélange (échelle de Batchelor). La difficile étape du scale-up du réacteur microfluidique a été réalisée avec succès dans le cadre d’un Grand Challenge national GENCI de calcul intensif montrant ainsi la capacité du code Notus à résoudre des problèmes complexes sur plusieurs milliards de points.

Références

S. Glockner, A.M.D Jost., A. Erriguible, Advanced petascale simulations of the scaling up of mixing limited flow processes for materials synthesis, Chemical Engineering Journal, 431 (2022).
T. Jaouhari, T. Tassaing, S. Fery-Forgues, C. Aymonier, S. Marre, A. Erriguible, Investigating nucleation and growth phenomena in microfluidic supercritical antisolvent process by coupling in situ fluorescence spectroscopy and direct numerical simulation, Chemical Engineering Science, 248, art. no. 117240, (2022).
F. Zhang, S. Marre, A. Erriguible, Mixing intensification under turbulent conditions in a high pressure microreactor, Chemical Engineering Journal, 382 (2020).