Transferts couplés dans les milieux poreux hygroscopiques

L'utilisation de lignocellulosiques comme source renouvelable de matériaux et d’énergie (carburants 2G) est traitée au LGPM à travers l'étude :

i) du traitement thermique comme prétraitement de la voie BtL

ii) de la cuisson acide / explosion vapeur (implication dans Futurol, le projet français d'éthanol lignocellulosique)

iii) de la caractérisation et modélisation des transferts couplés dans les matériaux biosourcés

Les normes thermiques du bâtiment associées à l'utilisation des matériaux biosourcés exigent de prendre en compte les transferts couplés de chaleur et de masse dans les codes de calcul. Cela induit un besoin fort de caractérisation et de modélisation de ces matériaux du point de vue des transferts hydriques. Le LGPM a, sur ces questions, une expertise reconnue à l'échelle internationale.

La ligne directrice des travaux menés porte sur les situations de non-équilibre rencontrées du fait des sollicitations en régime transitoire. Cela inclut l'hystérésis de sorption ⁽¹⁾ , la modélisation multiéchelle des situations hors-équilibre massiques ⁽²⁾ et le comportement non-fickien lié à la relaxation moléculaire ⁽³⁾. Pour toutes ces situations, la caractérisation expérimentale est particulièrement délicate car les mesures à long terme doivent s'affranchir des dérives des capteurs. Nous travaillons principalement avec deux dispositifs développés au laboratoire :

i) un dispositif de sorption construit autour d'une balance à suspension magnétique et

ii) une évolution (mesure simultanée de la masse et d'humidité relative (RH) en face arrière) du dispositif original de caractérisation par mesure d'humidité en face arrière ⁽⁴⁾.

Dans les deux cas, la dérive de la balance est corrigée car elle peut être déchargée et tarée en cours d'essai. Les capteurs d'humidité ont été contrôlés par un capteur à point de rosée. Ils doivent être corrigés dans les cas d'effets non-fickiens de faible intensité. Nous avons aujourd'hui une approche multiéchelle complète et cohérente (Figure ci-dessous), avec 3 avancées majeures:

• Une formulation macroscopique des transferts couplés, avec effets de non-équilibre, utilisable dans les codes de thermique du bâtiment.
• La détermination de la fonction caractéristique, signature des effets locaux, sur échantillons miniatures,
• La validation de la simulation macroscopique par mesure simultanée de masse et RH face arrière.

Approche générale des transferts couplés en situation de non-équilibre dans les matériaux lignocellulosiques

Références :

⁽¹⁾Rémond R., Almeida G., Perré P., 2018, The gripped-box model: A simple and robust formulation of sorption hysteresis for lignocellulosic materials, Construction and Building Materials, 170: 716–724.

⁽²⁾Carr E., Perré P., Turner I., 2016, The extended distributed microstructure model for gradient-driven transport: A two-scale model for bypassing effective parameters, J. Computational Physics, 327: 810-829.

⁽³⁾Olek W., Rémond R., Weres J., Perré P., 2016, Non-fickian moisture diffusion in thermally modified beech wood analyzed by the inverse method Int J Them Sci., 109: 291-298.

⁽⁴⁾Perré P., Pierre F., Casalinho J., Ayouz M., Determination of the mass diffusion coefficient based on the relative humidity measured at the back face of the sample during unsteady regimes, 2015, Drying Technology, 33: 1068-1075.