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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

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Un travail d’équipe

David VidalIlya VadeikoTetsu Uesaka

Martin DubéPatrice Mangin

François Bertrand

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Plan de la présentation

• Introduction

• Exemples d’application:• Filtration de l’air• Interactions encre/papier• Optimisation d’une sauce de couchage

• Conclusion

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Le papier: un matériau complexe

• Discret vs. continu

• Stochastique

• Hétérogène

• Problèmes de type système

Essais pilotes longs et coûteux

Approche basée sur la modélisation ?

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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?

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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

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Filtration de l’air par les milieux

fibreux

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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.

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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

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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)

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Comment modéliser la filtration de l’air?

Structure du filtre

Écoulement de l’air

Transport des aérosols

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Interactions entre l’encre et le papier

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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

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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

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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

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36

Réseau de capillaires en 2D

Des modèles de plus en plus réalistes

Réseau fibreux en 3D

Capillaires verticaux

Substrat lisse et non-poreux

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Effet de l’angle de contact sur l’étalement d’une goutte (vue du dessus)

θ=10◦

θ=50◦

Temps

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Optimisation d’une sauce de couchage

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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

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Argile

PCC

GCC

Ellipsoïdes

Modélisation des différents pigments

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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

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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

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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

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• 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

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(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

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