Utilisation de Comsol Multiphysics dans la réalisation de modèles numériques :

une aide au calcul et à l’interprétation de phénomènes physiques complexes

Appliqué aux champs électriques pulsés

Réunion GMN 3A 06/12/2011 Eric FERRET - Cyril IACONELLI

Agenda – 3 items Présentation du logiciel - Comsol : description du logiciel et de ses modules - Plan de décisions et de construction d’un modèle - Réalisation d’un exemple simple

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Application au champs électriques pulsés - Une analyse approfondie de la chambre de traitement - Échauffement localisé lors de l’application de CEP sur une cellule seule - Perspectives…

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Agenda – 3 items Présentation du logiciel - Comsol : description du logiciel et de ses modules - Plan de décisions et de construction d’un modèle - Réalisation d’un exemple simple

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Application au champs électriques pulsés - Une analyse approfondie de la chambre de traitement - Échauffement localisé lors de l’application de CEP sur une cellule seule - Perspectives…

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COMSOL Multiphysics (FEMLAB) est un logiciel de résolution de modèles différentiels (pde) multiphysique (généricité, couplage mécaniques des fluides,

électromagnétisme, mécaniques des structures, thermique) par ELEMENTS FINIS nombre illimité d'interactions entre différentes physiques

COMSOL Multiphysics est multiplateforme: Windows, Mac, GNU-Linux... COMSOL Multiphysics ... contient la plupart des équations, utilise une interface graphique peu de programmation directe Interface MATLAB possible

COMSOL Multiphysics a été développé par des étudiants de Germund Dahlquist (1925-2005) à la Royal Institute of Technology à Stockholm

Modules COMSOL

Exemples

Exemple : Equations Transferts Chaleur dans les fluides

Autres logiciels éléments finis ABAQUS (Dassault Systèmes) ANSYS CAST3M : logiciel pluridisciplinaire français développé par le

CEA (gratuit pour l'enseignement et la recherche) ASTER : logiciel pluridisciplinaire libre français développé

par EDF Dytran : logiciel américain développé par MSC.Software Flux2D/3D : logiciel 2D&3D éléments finis français

(développé en collaboration avec le GE2Lab) ...

Son interface graphique

Constructeur de modèle

Paramétrage du modèle

Représentation graphique

Plan de décisions et de construction

Choix de la dimension : 3D, 2D, 2D axisymétrique…

Choix des modules physique : Transfert de chaleur, Transport d’espèces, Ecoulement

laminaire… Choix du type d’étude : Stationnaire, Temporelle, Fréquentielle…

Construction de la géométrie Choix du (ou des) matériau(x) Paramétrage du (ou des) module(s) physique(s) Paramétrage et calcul du maillage Paramétrage et calcul de l’étude Représentation graphique des résultats

Refroidissement convectif

Réalisation d’un exemple simple : refroidissement d’une tasse de café Choix de la dimension : 2D axisymétrique

Choix des modules physique : Transfert de chaleur

Choix du type d’étude : Temporelle

Construction de la géométrie Choix du (ou des) matériau(x) Paramétrage du (ou des) module(s) physique(s) Paramétrage et calcul du maillage Paramétrage et calcul de l’étude Calcul de 0 à 5min

Représentation graphique des résultats

Bois

Porcelaine

Eau

25°C

Température initiales

(25°C)

(70°C)

(25°C)

Agenda – 3 items Présentation du logiciel - Comsol : description du logiciel et de ses modules - Plan de décisions et de construction d’un modèle - Réalisation d’un exemple simple

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Application au champs électriques pulsés - Une analyse approfondie de la chambre de traitement - Échauffement localisé lors de l’application de CEP sur une cellule seule - Perspectives…

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Une analyse approfondie de la chambre de traitement

Modules physiques utilisés : Ecoulement laminaire Courant Électrique Transfert de chaleur Source de chaleur : énergie dissipée par

effet Joule Diffusion de la chaleur

Volume traité

Mesure de température:

Text et Tint

Échantillon : MW modifié

S. cerevisiae BY4742 WT 3.107 cellules/mL

σ=0,15 S/m

Prélèvement stérile

Pompe péristaltique

(30mL/min)

Une analyse approfondie de la chambre de traitement

Les « particules » les plus « rapides » ont un temps de séjour de 0,7 seconde.

Une élévation plus importante de la température est observée au niveau des zones mortes.

Une analyse approfondie de la chambre de traitement

1er tour

2ème tour

Piston central

Conclusions : Il est possible de mieux comprendre l’impact des différents phénomènes sur l’inactivation des microorganismes lors du traitement. Aide au design d’une nouvelle chambre

Mesure expérimentale à 25°C Simulation numérique à 25°C

Échauffement localisé lors de l’application de CEP sur une cellule seule

Augmentation de la température

Dénaturation du matériel cellulaire

(In)activation enzymatique

Electroporation

Diffusion de matière et de chaleur au cours du temps Énergie pour former un pore

Échauffement localisé lors de l’application de CEP sur une cellule seule

Modules physiques utilisés : Courant Électrique Transfert de chaleur Source de chaleur : énergie dissipée par

effet Joule Diffusion de la chaleur

Répartition hétérogène de pore autour de la « membrane ». Modélisation en 2D Géométrie fixe

MW modifié

Couche d’huile

Milieu intracellulaire

Potentiel électrique

Masse

Échauffement localisé lors de l’application de CEP sur une cellule seule

∆T = 19°C

∆T = 6°C

temps

éner

gie

En général : Réalisation de simulations lorsque les mesures sont impossibles Simulations numériques pour guider vers le choix matériel …

Séchage : Allure des flux d’ « air » au sein d’une enceinte de séchage Vitesse d’équilibre entre la matrice à sécher et l’atmosphère de

séchage …

Réacteurs : Équilibre phase gazeuse / phase liquide Vitesse de réaction en fonction de l’agitation Aide pour le choix d’une agitation particulière Simulation de « réacteurs » physiques, biologiques...

Application de Comsol à d’autres problèmes

Merci de votre attention…