1
2
Creating forest sector solutions
www.fpinnovations.ca
Creating forest sector solutions
La simulation numérique: un outil
d’innovation pour l’industrie des
pâtes et papiers
François DroletColloque SCF-CFL, 27 Novembre 2008
4
Un travail d’équipe
David VidalIlya VadeikoTetsu Uesaka
Martin DubéPatrice Mangin
François Bertrand
5
Plan de la présentation
• Introduction
• Exemples d’application:• Filtration de l’air• Interactions encre/papier• Optimisation d’une sauce de couchage
• Conclusion
6
Le papier: un matériau complexe
• Discret vs. continu
• Stochastique
• Hétérogène
• Problèmes de type système
Essais pilotes longs et coûteux
Approche basée sur la modélisation ?
7
formation pressage séchage calendrage
Composition de fabrication
printing
Performance
Le procédé de fabrication du papier
couchage
Comment puis-je améliorer mon produit?Comment puis-je réduire mes coûts?
8
Une alliée puissante: ARTÉMIS
Grappe de calcul(Dell Blade HPCC)
130 processeurs à quatre coeurs Intel Xeon 2.83 GHz
> 1 TByte de RAM
Ethernet Gigabit
~ 5 TFlops
9
Filtration de l’air par les milieux
fibreux
10
Qu’est-ce qu’un papier bioactif?
Un papier capable de détecter, de capturer et/ou de désactiver des pathogènes présents dans l’eau ou dans l’air.
11
Le réseau SENTINEL
• +20 professeurs, 10 universités
• $2,2 million/année– 75% du CRSNG – 25% d’un consortium industriel et du gouvernement
de l’Ontario
• Investigateur Principal: Bob Pelton, McMaster
12
Objectifs du projet
• Développer un outil de simulation permettant de prédire l’efficacité de filtration des réseaux fibreux
• Se servir de cet outil pour développer des filtres en papier à haute performance (R. Kerekes)
13
Comment modéliser la filtration de l’air?
Structure du filtre
Écoulement de l’air
Transport des aérosols
14
Étape 1: Construction des filtres
Déposition de fibres Consolidation du réseau
Paramètres d’entrée: propriétés des fibres, épaisseur du réseau
Alava and Niskanen Drolet and Uesaka
15
16
Étape 1: Construction des filtres
Déposition de fibres Consolidation du réseau
Paramètres d’entrée: propriétés des fibres, épaisseur du réseau
Alava and Niskanen Drolet and Uesaka
17
18
Étape 1: Construction des filtres
Déposition de fibres Consolidation du réseau
Paramètres d’entrée: propriétés des fibres, épaisseur du réseau
Alava and Niskanen Drolet and Uesaka
19
Étape 2: Calcul de l’écoulement
D.Vidal, F. Bertrand
Champ de vitesse à l’intérieur d’une structure de papier
simulée
• Vitesse d’écoulement environ 10 cm/s
• Écoulement satisfait les équations de Navier-Stokes
20
Étape 1: Construction des filtres
Déposition de fibres Consolidation du réseau
Paramètres d’entrée: propriétés des fibres, épaisseur du réseau
Alava and Niskanen Drolet and Uesaka
21
Étape 2: Calcul de l’écoulement
D.Vidal, F. Bertrand
Champ de vitesse à l’intérieur d’une structure de papier
simulée
• Vitesse d’écoulement environ 10 cm/s
• Écoulement satisfait les équations de Navier-Stokes
22
23
Étape 2: Calcul de l’écoulement
D.Vidal, F. Bertrand
Champ de vitesse à l’intérieur d’une structure de papier
simulée
• Vitesse d’écoulement environ 10 cm/s
• Écoulement satisfait les équations de Navier-Stokes
24
Étape 3: Transport des aérosols
v tv t V rfluid
dt
dt
Diffusion brownienneForce de traînée
Vitesse de la particule
(I.Vadeiko)
25
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Particle Diameter (µm)
Filtr
ation
Effi
cien
cy (%
)
Effet du grammage et de la porosité
Δp=200 Pa, Vf≈12.5 cm/s
Augmentation du grammage et de la porosité
interception + impactiondiffusion
26
0
20
40
60
80
100
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Particle Diameter (µm)
Filtr
ation
Effi
cien
cy (%
)Efficacité de filtration des mélanges binaires
Diminution du diamètre moyen des fibres
Vf=10 cm/s
diamètre des fibres: 1 et 4 μm
27
Interactions entre l’encre et le papier
28
La recherche dans le domaine de l’impression: approche traditionnelle
Sous Pression
Échelles multiples
Encre, fluide viscoélastique
Impression
Poreux
Compressible
Hétérogène
Densité d’impression
Moutonnage
Points manquants
29
Simplification du système
z )ta(tv 0z
• Géométrie simple
• Encre Newtonienne
• Substrat lisse/ incompressible
30
31
Simplification du système
z )ta(tv 0z
• Géométrie simple
• Encre Newtonienne
• Substrat lisse/ incompressible
32
Effet du diamètre des pores
0.4 0.6 0.8 1 1.258
62
66
70
R0 (m) (=0.29)
Per
cent
age
of fl
uid
tran
sfer
red
(%)
33
Réseau de capillaires en 2D
Des modèles de plus en plus réalistes
Réseau fibreux en 3D
Capillaires verticaux
Substrat lisse et non-poreux
34
35
36
Réseau de capillaires en 2D
Des modèles de plus en plus réalistes
Réseau fibreux en 3D
Capillaires verticaux
Substrat lisse et non-poreux
37
Effet de l’angle de contact sur l’étalement d’une goutte (vue du dessus)
θ=10◦
θ=50◦
Temps
38
Optimisation d’une sauce de couchage
39
PCC
GCC
ClayTiO2
?
Formuler une sauce de couchage: l’embarras du choix
40
Argile
PCC
GCC
Ellipsoïdes
Modélisation des différents pigments
41
PCC
GCC
ClayTiO2
?
Formuler une sauce de couchage: l’embarras du choix
42
Argile
PCC
GCC
Ellipsoïdes
Modélisation des différents pigments
43
Prédire la structure finale du couchage
• Modèle basé sur la méthode de Monte-Carlo
• Inclut les variables du procédé et les effets de taille et de forme des particules
44
45
Prédire la structure finale du couchage
• Modèle basé sur la méthode de Monte-Carlo
• Inclut les variables du procédé et les effets de taille et de forme des particules
46
Mélange de pigments de formes différentes
=6
=2
Solids content = 50%
Pigmentsynergy
=10
=4
40
45
50
55
60
65
70
0 20 40 60 80 100
Po
re v
olu
me
frac
tio
n (
%)
Blending ratio
0100
2080
4060
6040
8020
1000
CaCO3
Clay
47
• La modélisation numérique au niveau des particules
est bien adaptée à l’étude du papier
• Elle permet de mieux comprendre les mécanismes
gouvernant certains phénomènes reliés à la
performance du papier (filtration, impression,
couchage,…).
• C’est un outil puissant et polyvalent
Conclusion générale
48
(De Faucompret, Drolet & Dai, 2007)
Structure des panneaux OSB
49
• Ministère du Développement Économique, de
l’Innovation et de l’Exportation du Québec (MDEIE)
• CRSNG
• Partenaires industriels de SENTINEL
Remerciements
50
Top Related