Influence de la géométrie sur l'écoulement et la formation de l'émulsion dans un système d'agitation miniaturisé : simulations CFD et études expérimentales

Dans le cadre du recyclage des combustibles nucléaires, qui permet de réduire par cinq le volume de déchets de haute intensité, les mélangeurs-décanteurs jouent un rôle clé en permettant une séparation efficace des phases liquide-liquide, optimisant ainsi la récupération des éléments valorisables tout en réduisant les déchets radioactifs. L'échange de matière entre les deux liquides est étroitement lié à la surface d'échange produite par l'appareil utilisé. Il est ainsi intéressant de bien caractériser l'écoulement dans l'appareil afin de l'optimiser. Le mélangeur-décanteurs, exploité à l'échelle laboratoire, fait l'objet de cette étude dont le but est d'améliorer le pompage dans un appareil miniature. Les travaux menés au cours de cette thèse se sont axés autour de trois axes principaux. L'étude sur une echelle intermédiaire par la mesure de grandeurs physiques (vitesse et turbulence) caractéristique de l'écoulement. Notamment par l'utilisation de deux systèmes de mesure, la Particle Image Velocity (PIV) robuste et bien documenté dans la littérature et aussi Shake-The-Box une méthode de Particle Tracking Velocity (PTV) jusqu'à présent jamais utilisé dans une cuve agitée. Dans une deuxième partie, ces résultats expérimentaux sont confrontés à des simulations numériques, d'abord RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) qui donnent de bons résultats sur la vitesse moyenne, mais peine à reproduire les grandeurs caractéristiques de la turbulence aux nombres de Reynolds intermédiaire de l'étude. Ensuite, la comparaison est faite avec des simulations dites LES (Large Eddy Simulations), plus fines dans la modélisation de la turbulence. La prédiction des grandeurs comme l'énergie cinétique turbulente ainsi que le taux de dissipation de l'énergie turbulente se trouvent grandement améliorés. Le modèle numérique est ensuite utilisé pour proposer des modifications géométriques améliorant les performances de l'appareil miniature. Enfin, la dernière partie de l'étude vise la caractérisation de l'émulsion dans l'appareil de taille intermédiaire grâce à une caméra rapide et à une sonde endoscopique. Pour l'appareil miniature seule la caméra rapide a pu être utilisé (la sonde endoscopique a un diamètre d'environ 10 mm pour une cuve de 20 mm). L'analyse des images s'est faite grâce à un algorithme de détection de cercle et une méthode basée sur un réseau de neurones, plus performant.