Simulations de la dynamique des fluides (CFD) pour l'optimisation des systèmes DAF
- 1. introduction : simulations de la dynamique des fluides numérique (CFD)
- 2. Description de l'étude de cas
- 3. Résultats de la simulation
- 4. Actions proposées pour la résolution des turbulences
- 5. Références et remerciements
1. introduction : simulations de la dynamique des fluides numérique (CFD)
Les simulations de dynamique des fluides (CFD) sont appliquées aux systèmes d'écoulement hydraulique et aux processus de transport.Elles constituent des outils de développement standard pour les constructions et les équipements comportant des composants fluides. Aujourd'hui, les simulations CFD sont indispensables dans tous les types d'ingénierie, y compris le traitement de l'eau.
Dans le domaine du traitement de l'eau, les programmes CFD simulent la réalité de la dynamique des fluides et le comportement des fluides et des phases (eau, air, solides...), qui peuvent être difficiles à observer directement dans les équipements de traitement de l'eau. En outre, ils permettent de prédire les effets qui se produiraient si les conditions de fonctionnement (pressions, débits, etc.) étaient modifiées.
Ces simulations offrent principalement
- Validation des modèles d'approximation par des mesures.
- Analyse déterministe à l'aide d'indicateurs.
- Augmenter l'efficacité des équipements grâce à des plans d'optimisation, en tenant compte de la viabilité économique.
Ensuite, nous verrons comment, à SIGMADAF, nous avons réalisé des simulations CFD pour comprendre le comportement extraordinaire d'un DAF FPHF 750 installé pour un client qui fabrique des produits chimiques pour la préparation des aliments.
Ces simulations ont été réalisées en collaboration avec Hydrograv, une entreprise spécialisée dans les simulations de dynamique des fluides, et l'Instituto Tecnológico de Aragón.
L'objectif est de comprendre pourquoi le flux d'eau se comporte de manière si extraordinaire et d'utiliser les résultats de l'étude pour l'amélioration mécanique et opérationnelle de l'équipement. Ces informations précieuses sont également utilisées pour affiner les futures conceptions et constructions de ce modèle de DAF.
2. Description de l'étude de cas
L'équipement étudié est un système DAF, modèle FPHF 750. Cet équipement est pratiquement identique à d'autres équipements précédemment installés, mais il souffre de problèmes de fonctionnement liés à la turbulence que le flux subit dans la zone de l'entrée de l'équipement. La turbulence est définie comme une distribution non uniforme de la vitesse à l'entrée de l'équipement.
Avant d'effectuer les simulations de la dynamique des fluides, deux objectifs spécifiques sont fixés :
- Identifier les causes de l'augmentation de la turbulence dans la zone d'entrée de l'effluent en fonction de deux éléments clés : les débits et la configuration de la conduite d'entrée.
- Proposer et analyser des options de conception qui réduisent ces turbulences.
Les simulations CFD comparent les valeurs de conception aux valeurs spécifiques au client pour le débit d'entrée et la configuration de la conduite d'alimentation du DAF.
Les simulations CFD fournissent également une vision claire du fonctionnement du DAF et révèlent les points à optimiser, tant sur le plan mécanique qu'en termes de performance. Plus précisément, elles indiquent une nouvelle conception des pièces physiques qui permettrait une optimisation hydraulique conduisant à une augmentation de l'efficacité de la séparation des flocs.
Tous les processus pertinents sont pris en compte :
- Débit d'eau.
- Vitesse de l'eau.
- Comportement des microbulles.
- Comportement de flottation/sédimentation des particules et des flocs
- Influence des lamelles.
2.1 Géométrie de l'équipement
Voici la géométrie simplifiée du SIGMADAF FPHF 750, qui sert de modèle pour les simulations CFD.
Le tuyau d'entrée installé par le client a des coudes avec un angle de 60º, différent de la configuration standard recommandée par Sigma, qui est de 90º.
Le flux d'entrée dans le DAF heurte une plaque, où il se divise en deux flux. Chaque flux traverse ensuite une fenêtre de 380 x 380 mm, qui sont positionnées symétriquement, comme le montre la figure 6. Une fois qu'il a traversé la fenêtre, le flux rencontre un déflecteur qui l'oriente dans une direction verticale. Des turbulences sont produites dans la zone de décharge supérieure.
La configuration symétrique vise à ce que le flux soit réparti de manière égale à travers chaque fenêtre. Cependant, certains facteurs peuvent rompre la symétrie du flux et générer une direction préférentielle vers l'une des fenêtres, contribuant à la turbulence et à l'échappement des flocs de boue vers la sortie du clarificateur.
Pour confirmer cette hypothèse, des simulations CFD sont effectuées pour analyser l'influence de la distribution des vitesses observée dans la zone d'entrée.
Conditions limites
Des simulations multiphases sont effectuées avec de l'air et de l'eau dans lesquelles les bulles d'air sont modélisées en tant que phase dispersée.
L'eau s'écoule dans le DAF par un tuyau DN600, provenant du réservoir de floculation en amont du DAF. Le début de la conduite (coude supérieur) n'est pas complètement rempli, comme le montre l'image suivante :
Le tableau 1 énumère les conditions limites appliquées aux simulations CFD. Ce tableau fait apparaître les différences entre les conditions de conception pour lesquelles l'équipement a été construit et les conditions généralement appliquées par le client.
Tableau 1. Conditions limites pour les simulations CFD.
| Paramètre | unités | Valeurs de conception | Valeurs du client |
|---|---|---|---|
| Débit d'entrée | m3/h | 725 | 400 |
| Débit de recirculation | m3/h | 100 | 100 |
| Contribution totale | m3/h | 825 | 500 |
| Débit minimal de conception | m3/h | 550 | 550 |
| Débit d'air consommé | L/min | 150 | 150 |
| Diamètre des microbulles | µm | 30 - 50 | 30 - 50 |
2.3 Définition des particules et des flocs
Les particules peuvent être considérées comme faisant partie de la phase aqueuse en utilisant un modèle de glissement algébrique. La vitesse relative des particules est basée sur des données bibliographiques et sur l'analyse de flocs réels. En fonction de la densité des particules et de leur attachement aux microbulles, elles peuvent se déposer, rester flottantes au même niveau ou remonter à la surface.
La vitesse relative des particules est supposée par approximation. Lorsque des microbulles adhèrent à un floc de boue, la densité du floc diminue en dessous de la densité de l'eau et la vitesse ascendante de cet agglomérat (boue - air) augmente.
La valeur exacte de la vitesse ascendante est inconnue et diffère pour chaque floc. Pour cette raison, une gamme de vitesses ascendantes, qui sont physiquement possibles, est établie dans les simulations CFD. Ces vitesses relatives sont énumérées dans le tableau 2.
Tableau 2 : Vitesses estimées des particules. Les valeurs négatives signifient qu'elles sont en train de monter (vitesse de "décantation" négative).
| Type de particules de | Vitesse de sédimentation (mm/sec)* (mm/sec) |
|---|---|
| Haut | (-100) - (-1,0) |
| Flotter au milieu du DAF | 0,0 |
| Sédimenté | 0.5 - 2,0 |
3. Résultats des simulations de la dynamique des fluides
3.1 Simulation des phases eau, air et particules dans le DAF pour les systèmes Design et Customer.
Le flux d'entrée est dévié deux fois dans le tuyau d'entrée (une fois dans chaque coude) et ensuite dévié à nouveau dans la fenêtre d'entrée, avant d'entrer dans le DAF. Les vitesses d'entrée sont supérieures à 90 cm/seconde dans le système conçu par SIGMADAF, mais se situent entre 50 et 60 cm/seconde dans le système DAF exploité par le client (figures 8 (5.1) et 9 (5.3)).
Compte tenu des vitesses d'entrée élevées et de l'écoulement presque horizontal dans le système de conception, le flux entre en contact avec la plaque d'entrée inclinée presque horizontalement et est principalement dévié vers le haut du réservoir (figure 10, à gauche).
Dans le système du client, les vitesses sont plus faibles et, par conséquent, seule une partie du flux est détournée vers le haut (figure 10, à droite). Dans le système du client, on peut observer un flux descendant à travers l'ouverture d'entrée, il y a donc un court-circuit entre l'entrée et la sortie de la conduite, ce qui conduit très probablement à une augmentation de la quantité de flocs dans cette zone.
La distribution de l'air dans le réservoir est illustrée dans les figures 11 et 12. Les microbulles n'ont qu'un faible mouvement inhérent en raison de leur faible vitesse ascendante et sont transportées principalement par l'effet du flux. En raison du débit plus faible dans le système du client, les microbulles sont transportées lentement et ont un temps de séjour plus long et une concentration plus élevée que dans le système de conception.
Les figures 13 et 14 montrent l'énergie cinétique turbulente dans le réservoir. Les valeurs les plus élevées sont détectées à la sortie de la section d'entrée du DAF.
En raison du débit d'entrée, des vitesses et de l'énergie cinétique turbulente plus faibles, les séparations de phases sont plus importantes dans le système Client. Dans le système Design, les particules ascendantes sont transportées vers le haut, puis une partie d'entre elles vers le bas par l'action des lamelles, comme le montre la figure 15. Dans le système Client, une partie des particules est transportée directement vers le fond avec le flux, sans passer par les lamelles.
3.2 Etude de la configuration des fenêtres d'entrée
En plus de la simulation CFD de l'ensemble du DAF, y compris la tuyauterie d'entrée, des simulations extraordinaires sont effectuées en mettant l'accent sur les fenêtres d'entrée décrites dans la section 2.1. Les résultats sont présentés dans les figures 16 et 17.
Le profil de vitesse généré dans les fenêtres parallèles entraîne des débits différents dans chaque fenêtre, mais la découpe de la tôle entre les fenêtres réduit de façon négligeable la différence de débits et de vitesses qui se manifeste dans la zone d'entrée.
3.3 Étude de l'orientation du flux d'entrée dans le DAF
Enfin, on simule le cas où l'eau n'entre pas dans le DAF à partir d'un réservoir en tombant dans un tuyau, mais entre dans le DAF de manière linéaire directement vers le DAF, comme ce serait le cas si un système de floculation PFL à écoulement piston avait été appliqué. Le résultat est illustré à la figure 18.
La forme du profil de vitesse du flux à l'entrée des coudes joue un rôle majeur dans la distribution du flux entre les fenêtres. Dans le cas où le flux arrive parfaitement développé, directement orienté vers l'entrée du DAF, une distribution homogène est observée entre les deux fenêtres. En revanche, si l'on considère l'écoulement provenant de la décharge d'un réservoir en amont, le flux entrant dans le DAF est fortement déformé, ce qui empêche une distribution homogène entre les deux fenêtres.
4. Actions proposées pour remédier aux turbulences
Les couples hypothèse-action pour les différents scénarios étudiés sont énumérés ci-dessous.
A) En raison du débit plus faible dans le système du client, un court-circuit dans la distribution du débit est causé, ce qui entraîne un entraînement des particules vers le fond du DAF dans la zone d'entrée du DAF. Pour éviter cela, une option consiste à bloquer l'ouverture du fond, comme le montre la figure 19.
B) Le découpage de tôles pour joindre des fenêtres parallèles ne contribuerait pas à l'amélioration de la distribution des flux et des vitesses d'entrée, et cette action serait donc rejetée.
C) Une configuration de la conduite d'entrée parfaitement orientée vers le DAF permettrait une distribution homogène du flux, ce qui pourrait réduire les turbulences.
Toutes ces hypothèses et actions sont prises en compte pour les projets futurs. L'objectif de SigmaDAF est d'améliorer continuellement ses équipements afin de les adapter à chaque situation.
5. Références et remerciements
ANSYS (2021) : ANSYS FLUENT Theory Guide ; Release 2021 R1 ; ANSYS Inc : Canonsburg, PA, USA.
Wilcox, DC (1998) : Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, Inc. La Canada, Californie.
Remerciements:
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