La simulation numérique: un outil d’innovation pour l’industrie des pâtes et papiers

3. La simulation numérique: un outil d’innovation pour l’industrie des pâtes et papiers François Drolet Colloque SCF-CFL, 27 Novembre 2008

4. Un travail d’équipe David Vidal Ilya Vadeiko Tetsu Uesaka Martin Dubé Patrice 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. Le procédé de fabrication du papier Composition de fabrication couchage pressage séchage formation calendrage printing Comment puis-je améliorer mon produit? Comment puis-je réduire mes coûts? Performance

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 EthernetGigabit ~ 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 captureret/ou de désactiverdes 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 Consolidation du réseau Déposition de fibres Drolet and Uesaka Alava and Niskanen Paramètres d’entrée: propriétés des fibres, épaisseur du réseau

16. Étape 1: Construction des filtres Consolidation du réseau Déposition de fibres Drolet and Uesaka Alava and Niskanen Paramètres d’entrée: propriétés des fibres, épaisseur du réseau

18. Étape 1: Construction des filtres Consolidation du réseau Déposition de fibres Drolet and Uesaka Alava and Niskanen Paramètres d’entrée: propriétés des fibres, épaisseur du réseau

19. Étape 2: Calcul de l’écoulement • Vitesse d’écoulement environ 10 cm/s • Écoulement satisfait les équations de Navier-Stokes Champ de vitesse à l’intérieur d’une structure de papier simulée D.Vidal, F. Bertrand

20. Étape 1: Construction des filtres Consolidation du réseau Déposition de fibres Drolet and Uesaka Alava and Niskanen Paramètres d’entrée: propriétés des fibres, épaisseur du réseau

21. Étape 2: Calcul de l’écoulement • Vitesse d’écoulement environ 10 cm/s • Écoulement satisfait les équations de Navier-Stokes Champ de vitesse à l’intérieur d’une structure de papier simulée D.Vidal, F. Bertrand

23. Étape 2: Calcul de l’écoulement • Vitesse d’écoulement environ 10 cm/s • Écoulement satisfait les équations de Navier-Stokes Champ de vitesse à l’intérieur d’une structure de papier simulée D.Vidal, F. Bertrand

24. Étape 3: Transport des aérosols (I.Vadeiko) Vitesse de la particule Diffusion brownienne Force de traînée

25. Effet du grammage et de la porosité Δp=200 Pa, Vf≈12.5 cm/s Augmentation du grammage et de la porosité interception + impaction diffusion

26. Efficacité de filtration des mélanges binaires Diminution du diamètre moyen des fibres diamètre des fibres: 1 et 4 μm Vf=10 cm/s

27. Interactions entre l’encre et le papier

28. La recherche dans le domaine de l’impression: approche traditionnelle Impression Densité d’impression Moutonnage Points manquants Sous Pression Échelles multiples Encre, fluide viscoélastique Poreux Compressible Hétérogène

29. Simplification du système z • Géométrie simple • Encre Newtonienne • Substrat lisse/ incompressible

31. Simplification du système z • Géométrie simple • Encre Newtonienne • Substrat lisse/ incompressible

32. Effet du diamètre des pores

33. Des modèles de plus en plus réalistes Réseau fibreux en 3D Réseau de capillaires en 2D Capillaires verticaux Substrat lisse et non-poreux

36. Des modèles de plus en plus réalistes Réseau fibreux en 3D Réseau de capillaires en 2D 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. Formuler une sauce de couchage: l’embarras du choix Clay TiO2 ? GCC PCC

40. Ellipsoïdes Modélisation des différents pigments Argile PCC GCC

41. Formuler une sauce de couchage: l’embarras du choix Clay TiO2 ? GCC PCC

42. Ellipsoïdes Modélisation des différents pigments Argile PCC GCC

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

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. =10 Pigment synergy =6 =4 =2 CaCO3 Clay 0 100 20 80 40 60 60 40 80 20 100 0 Mélange de pigments de formes différentes 70 Solids content = 50% 65 60 Pore volume fraction (%) 55 50 45 40 0 20 40 60 80 100 Blending ratio

47. Conclusion générale • 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

48. Structure des panneaux OSB (De Faucompret, Drolet & Dai, 2007)

49. Remerciements • Ministère du Développement Économique, de l’Innovation et de l’Exportation du Québec (MDEIE) • CRSNG • Partenaires industriels de SENTINEL