Projet 3D-Biomat : Investigation 3D et modélisation multiéchelle des matériaux biosourcés

Dans un contexte économique et sociétal porteur, la Chaire de Biotechnologie de CentraleSupélec déploie depuis 2014 un axe thématique dédié aux matériaux biosourcés et au pré-traitement de la biomasse. Le projet 3D-BioMat est le projet phare de cet axe. Monté en 2015 dans le cadre d'un appel de type "Chaire" de la Région Grand Est, le financement de ce projet a été obtenu en 2016 et a démarré en 2017 avec l'installation d'un nano-tomographe de dernière génération.

Par son aptitude à visualiser en 3D (en virtuel ou par impression 3D), avec résolution sub-micrométrique, le tomographe est idéal pour caractériser à la fois la ressource végétale et la morphologie des différentes phases des matériaux après élaboration. Complété par l'expertise du LGPM en calcul numérique intensif   (traitement d’image 3D, génération de maillages, méthodes mathématiques de changement d’échelle, codes numériques propriétaires), ces observations permettent de prédire le comportement des matériaux (voir schémas ci-dessous). Très exigeantes en capacité de calcul intensif^(1,2), les simulations sont effectuées soit sur le mésocentre Fusion de CS, soit sur le centre de calcul ROMEO de l'URCA.

De la morphologie 3D aux propriétés calculées par LBM puis à la prédiction : identification de familles de morphologies permettant de prédire diffusivités thermique et massique de panneaux de fibres en fonction de la densité⁽³⁾.

Au-delà de l'observation 3D, nous développons des dispositifs permettant d'observer sous sollicitations (hydrique pour commencer avec une thèse en cours, puis mécanique). Les images 4D obtenues par tomographie permettent de valider les modèles prédictifs, d'identifier des propriétés et de tester in situ des matériaux issus du laboratoire ou de l’industrie. Deux perspectives majeures sont envisagées :

• Extension des approches de changement d'échelle à la modélisation multiéchelle, notamment par simulation numérique directe (CDF + transferts) à l'échelle des pores, tant pour les matériaux que pour les réacteurs à lits épais (une thèse en cours + projet VitrHydrogène),
• Innovation en design de matériaux par rétro-ingénierie, qui vise à choisir les éléments constitutifs et la façon judicieuse de les assembler pour obtenir des matériaux aux performances désirées (coût, procédé d’élaboration, performances techniques, etc.).

Références :

⁽¹⁾Perré P., Almeida G., Ayouz M., Frank X., 2016, New modelling approaches to predict wood properties from its cellular structure: image-based representation and meshless methods, Annals Forest Sci., 73: 147-162.
⁽²⁾Foy B. H., Perré P., Turner I., 2017, The meshfree finite volume method with application to multi- phase porous media models, Journal of Computational Physics, 333: 369-386.
⁽³⁾Louërat M., Ayouz M., Perré P., 2018, Heat and moisture diffusion in spruce and wood panels computed from 3-D morphologies using the Lattice Boltzmann method, J. Thermal Sci., 130: 471-483.