Le premier modèle permettant de prévoir avec précision le comportement d’un écoulement en couche mince
L’écoulement en couche mince fait référence au comportement d’une fine couche de fluide qui s’étale, s’enduit ou s’écoule sur une surface solide. Ce phénomène est utilisé dans de très nombreuses applications, du biomédical à l’automobile. Comprendre comment l’écoulement en couche mince se développe expérimentalement prend du temps et représente un coût, c’est pourquoi la modélisation informatique est privilégiée. Cependant, la complexité des interactions de flux rend la tâche difficile. «Tout d’abord, il est délicat de mesurer les effets de la tension à l’interface entre le fluide et les surfaces, et entre le fluide et l’air. Ensuite, la difficulté de caractériser expérimentalement les couches minces à petite échelle complique la validation de tout modèle», explique Pratik Suchde, chercheur principal du projet SURFING financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie, rattaché à l’université du Luxembourg, hôte du projet. Pratik Suchde a élaboré un nouveau modèle de calcul spécialement conçu pour simuler l’écoulement en couche mince, qui a été validé dans des scénarios industriels liés à l’automobile et à la transformation des aliments.
Conception de modèles
Après avoir analysé les hypothèses clés qui sous-tendent les modèles existants d’écoulement en couche mince, Pratik Suchde a identifié certaines d’entre elles qui limitent leur applicabilité. Un modèle sur mesure a ensuite été élaboré, qui suppose une mince couche de fluide composée de nombreuses gouttelettes qui se regroupent. L’épaisseur de la couche mince est ensuite déterminée en fonction de leur répartition. En calculant les forces exercées sur chaque gouttelette, l’équipe est parvenue à une équation (similaire à l’équation de Cauchy) susceptible de servir de base pour calculer le comportement ultérieur de l’écoulement du fluide. Le modèle a été divisé en trois parties, chacune faisant l’objet d’une validation indépendante. La première a été validée au regard de données expérimentales, la seconde a fait appel à des approximations théoriques, tandis que la troisième a été validée par rapport à des modèles de couches minces disponibles dans la littérature sur ce sujet. «Enfin, l’ensemble du modèle a été validé au regard de simulations d’écoulement de fluides en vrac à forte intensité de calcul, établissant ainsi une référence qui ne repose pas sur des approximations de couches minces. Cela nous a également permis de comprendre comment les trois parties validées du modèle fonctionnent de concert», ajoute Pratik Suchde.
Simulations de démonstration d’application
Dans l’industrie automobile, SURFING s’est particulièrement intéressé à la lubrification des boîtes de vitesses, où un liquide à base d’huile est le plus souvent utilisé pour réduire l’usure, le frottement et la chaleur générés entre les roues dentées. Les modèles actuels de couche mince supposent généralement la présence d’un film fluide entièrement développé entre les dents de l’engrenage, toutefois, dans certaines situations (comme lorsque le lubrifiant est introduit après épuisement total), il est crucial de modéliser aussi la formation de la fine couche de fluide. SURFING a pu modéliser ce processus avec précision grâce aux données fournies par les partenaires industriels. Le projet s’est également penché sur l’industrie agroalimentaire, et plus particulièrement sur l’utilisation de liquides de nettoyage à base d’eau, propulsés par jet pour éliminer les restes de nourriture des grands plateaux. Toujours à partir de données provenant d’un partenaire industriel, SURFING a d’abord utilisé la modélisation de l’écoulement des fluides en vrac pour simuler le jet de liquide de nettoyage. Lorsque le jet simulé frappe le plateau, les algorithmes du modèle SURFING détectent automatiquement la formation d’une couche mince et passent de l’écoulement en vrac à la modélisation de la couche mince. «Notre nouveau modèle simule ces cas complexes beaucoup plus rapidement que les méthodes existantes. C’est la première fois qu’un modèle de simulation de l’écoulement des fluides fait preuve d’une telle adaptabilité dynamique», souligne Pratik Suchde.
Des processus industriels en cascade
La modélisation de SURFING pourrait contribuer à raccourcir les cycles de développement industriel, réduisant ainsi les coûts pour les producteurs et, en fin de compte, pour les consommateurs. L’amélioration de la conception est susceptible de contribuer par ailleurs à réduire les coûts d’entretien. Cela présentera probablement aussi des avantages pour l’environnement. Par exemple, l’amélioration de l’efficacité du nettoyage dans le secteur agroalimentaire pourrait réduire la consommation d’énergie tout en minimisant les déchets. L’équipe améliore actuellement les performances de sa modélisation, tout en continuant à explorer l’éventail des applications commerciales potentielles.
Mots‑clés
SURFING, fluide, écoulement, modèle, surface solide, simulations, automobile, agroalimentaire
