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Le 16 décembre 2022

Soutenance de thèse de Emilie POWAGA

Étude et modélisation des processus d'humidification et de refroidissement évaporatif par mélange d'un brouillard d'eau dans un flux d'air

Résumé de la thèse en français

Une fois récoltés, les fruits et légumes sont des produits hautement périssables. Afin de les conserver, ces produits sont généralement stockés dans des enceintes réfrigérées par convection forcée d'air froid sec. Cette technique de refroidissement n'est pas la mieux adaptée pour le stockage et le transport des fruits et légumes, dont le métabolisme encore souvent actif est sensible à l'humidité et à la vitesse de circulation de l'air ambiant. Environ 45 % de la production mondiale de fruits et légumes est encore annuellement perdue malgré les efforts réalisés pour recourir à la chaine du froid dans la logistique post-récolte. En plus de n'être pas particulièrement adaptées aux fruits et légumes, les techniques classiques de froid industriel sont énergivores et source d'émission de gaz à effet de serre. Du fait des progrès décisifs qu'ils ont permis d'accomplir dans le domaine de la conservation des denrées alimentaires vivantes, les dispositifs basés sur la nébulisation d'eau sont prometteurs (on entend par nébulisation, la transformation d'un liquide par ultrasons en nuage de gouttelettes extrêmement fines - diamètre de l'ordre du µm). L'évaporation des gouttelettes d'eau sur la surface des produits réfrigérés augmente le transfert de chaleur et réduit la perte d'eau pendant le processus de réfrigération, améliorant significativement leur durée de conservation. L'objectif de ce travail doctoral est d'améliorer la compréhension des mécanismes d'écoulement et d'évaporation des gouttelettes d'eau au sein d'une vitrine verticale ouverte afin de disposer d'un modèle numérique d'écoulement diphasique représentant correctement les processus mis en jeu. Des études expérimentales et numériques du couplage d'un dispositif de nébulisation à une vitrine verticale ouverte ont été menées pour répondre à ces objectifs. Les études expérimentales ont permis d'évaluer l'influence de différents paramètres d'intégration du dispositif de nébulisation et des caractéristiques de la vitrine sur la répartition spatiale du brouillard dans l'enceinte, mais aussi de caractériser les écoulements au sein de la vitrine, via la mise en œuvre d'une technique originale de mesure d'écoulement d'air reposant sur de l'analyse numérique d'image, en présence ou non de fruits et légumes. Un modèle numérique diphasique a été développé pour prédire le transport et l'évaporation d'un nuage de gouttelettes nébulisées dans un flux d'air turbulent, en régime stationnaire. La résolution numérique de la turbulence de l'écoulement diphasique a été approchée par un modèle de turbulence statistique à bas nombre de Reynolds. Les conditions aux limites associées à ce modèle ont été discutées pour une application sur une vitrine verticale ouverte nébulisée. Un travail conséquent a été réalisé pour définir un terme source massique entre les fruits et légumes et leur environnement, en fonction des caractéristiques intrinsèque du produit et des conditions thermo-hydriques de l'environnement. Les résultats expérimentaux ont servi à qualifier le modèle numérique diphasique développé dans le cadre de cette étude doctorale. Ce travail est novateur car, à ce jour, peu d'études sur l'utilisation d'aérosols d'eau dans les équipements frigorifiques ont été conduites et aucune d'elles n'évalue la répartition spatiale du brouillard dans l'enceinte en présence de produits vivants. Ce travail de thèse est mené en étroite collaboration avec le laboratoire PERSÉE de l'École des Mines de Paris et l'entreprise ARECO, leader de l'humidification par nébulisation.

Résumé de la thèse en anglais

Once harvested, fruits and vegetables are highly perishable products. To preserve them, these products are usually stored in refrigerated chambers using forced convection of dry cold air. This cooling technique is not the most suitable for the storage and transportation of these products, whose metabolism is still often active and sensitive to humidity and speed of ambient air. Approximately 45% of the world's fruit and vegetable production is still lost annually despite efforts to use the cold chain in post-harvest logistics. In addition to not being particularly adapted to fruits and vegetables conventional industrial refrigeration techniques are energy consuming and a source of GHG emissions. Because of the decisive progress they have made in the field of preservation of live foodstuffs, devices based on water nebulization are promising (in this field, nebulization means the transformation of a liquid by ultrasound into a cloud of extremely fine droplets - diameter of the order of µm). The evaporation of water droplets on the surface of refrigerated products increases heat transfer and reduces water loss during chilling process, significantly improving their shelf life. The objective of this PhD work is to improve the understanding of the flow and evaporation mechanisms of water droplets within an open vertical display case to have a numerical model of two-phase flow correctly representing the processes involved. Experimental and numerical studies of the coupling of a fogging device to an open vertical display case were conducted to meet these objectives. The experimental studies allowed to evaluate the influence of different integration parameters of the fogging device and the characteristics of the display case on the spatial distribution of the fog in the enclosure, but also to characterize the flows within the display case, via the implementation of an original technique of air flow measurements based on digital imaging analysis, in the presence or not of fruits and vegetables. A two-phase numerical model was developed to predict the transport and evaporation of a cloud of nebulized droplets in a turbulent airflow, in steady state. The numerical resolution of the turbulence of the two-phase flow has been approximated by a low Reynolds number statistical turbulence model. The boundary conditions associated with this model have been discussed for an application on a vertical open nebulized display case. A consequent work has been done to define a mass source term between the fruits and vegetabless and their environment according to the intrinsic characteristics of the product and the thermo-hydric conditions of the environment. The experimental results were used to qualify the two-phase numerical model developed in the framework of this PhD study. This work is innovative because, to date, few studies on the use of water aerosols in refrigeration equipment have been conducted and none of them evaluate the spatial distribution of the mist in the enclosure in the presence of live products. This thesis work is conducted in close collaboration with the PERSÉE laboratory of the École des Mines de Paris and the company ARECO, leader in the field of humidification by nebulization.

Date de soutenance : vendredi 16 décembre 2022 à 9h00
Adresse de soutenance : Mines Paris-PSL Campus Pierre Laffitte 1, rue Claude-Daunesse CS 10207 06904 Sophia Antipolis - Amphithéâtre Mozart
Directeur de thèse : François CAUNEAU
Co-encadrant : PASCAL BIWOLE
Co-encadrant : Mohamad IBRAHIM