UPThèses

Les matériaux granulaires sont très divers : les farines, les grains dans l'agroalimentaire, le sable et les roches dans l'industrie minière, les déchets broyés dans l'industrie du recyclage, les poudres et granulés dans l'industrie chimique. Le stockage, le transport et le traitement de ces matériaux font apparaître des phénomènes électrostatiques liés à leur charge par effet triboélectrique. L'analyse de ces phénomènes requiert des modèles numériques prenant en compte les trois aspects (collisions interparticulaires, écoulement du fluide et échange de charges électriques) des écoulements granulaires. L'objectif de ce mémoire est donc la modélisation des écoulements diphasiques 3D, avec la prise en compte des phénomènes tribo-électrostatiques et des forces d'interaction entre le fluide et les particules. Dans la première phase du travail, nous avons utilisé un modèle d'éléments distincts (DEM) pour calculer la dynamique particulaire. Plusieurs études de lits vibrés y sont traitées. La deuxième partie présente un modèle original de charge électrostatique. Ce modèle permet d'étudier l'évolution de la charge des particules au cours du temps. La méthode utilisée pour réaliser le code diphasique par un couplage eulérien-lagrangien est exposée dans la troisième partie. Les études sur la fluidisation de particules qui y sont décrites ont abouties à des pistes intéressantes sur la formation des bulles. Pour finir, nous présentons les algorithmes utilisés pour les modélisations, ainsi que la méthode adoptée pour paralléliser le programme, permettant ainsi de représenter un grand nombre de particules afin de mieux simuler des situations d'intérêts industriels.

Les risques des décharges électrostatiques (DES) sur des dispositifs et systèmes électroniques dépend de l'état de charge de l'opérateur et des objets situés à proximité. Cette thèse a eu comme objectif de contribuer à la mise au point d'une méthodologie de mesure pour caractériser l'état de charge des opérateurs et des matériaux textiles, afin d'établir leur capacité de produire DES nuisibles. Des méthodes de mesure directes et indirectes ont été proposées pour l'évaluation de la charge des opérateurs dans trois situations d'intérêt pratique. D'autres techniques, telles que la mesure de potentiel de surface et de l'intensité du champ électrique ont été utilisées pour le monitoring de l'état de charge des matériaux textiles. Des modèles comportementaux ont été établis pour la charge et la décharge de ces matériaux, en faisant appel à la méthodologie des plans d'expériences. Les essais réalisés sur des échantillons de polypropylène et de polyester ont permis de valider aussi deux méthodes permettant d'accélérer la diminution de la charge des médias isolants non-tissés en utilisant des générateurs d'ions ou des décharges couronne produites par des électrodes alimentées à des hautes tensions sinusoïdales ou triangulaires, de fréquences allant jusqu'à 400 Hz. Un exemple d'accumulation d'électricité statique sur une plaquette de silicium est aussi discuté, en rapport avec une application à la fabrication des microsystèmes électromécaniques. L'amélioration de la méthodologie de mesure est un pré-requis pour l'adoption des meilleures stratégies destinées à maîtriser les risques électrostatiques dans un environnement industriel.

Les procédés de séparation électrostatique sont déjà utilisés pour le recyclage des déchets industriels broyés, chargés au préalable par effet triboélectrique dans des dispositifs à vibrations, à cylindre tournant ou à lit fluidisé. L'efficacité de ces dispositifs étant parfois limitée par la charge électrique accumulée pendant le transport pneumatique des matériaux à séparer, une étude a été réalisée en faisant appel la méthode des plans d'expériences afin d'identifier les facteurs influents et de proposer des solutions d'amélioration. Si les dispositifs actuels ne donnent pas satisfaction c'est aussi parce que certaines particules n'arrivent pas à se charger convenablement pour être séparées en champ électrique. Un procédé et une installation originaux permettent de remédier à ces inconvénients, en utilisant en même temps l'effet triboélectrique, la force de Coulomb et la force image électrique. Deux dispositifs à lit fluidisé ont été construits dans le but de faciliter la compréhension des phénomènes physiques à la base du nouveau procédé et de tester sa faisabilité. Les expériences réalisées sur ces dispositifs ont montré que l'efficacité du processus de charge dépend fortement de la vitesse de l'air de fluidisation et de la durée passée par les particules dans le dispositif. Ces études ont permis de préciser les solutions techniques essentielles à la réalisation d'un séparateur tribo-aéroélectrostatique industriel. Les résultats expérimentaux confirment la charge triboélectrique en lit fluidisé associée à la séparation en champ électrostatique comme un procédé efficace de traitement des déchets granulaires d'équipements électriques et électroniques.