Simulation de l’écoulement par des approches de Mécanique des Fluides Numérique et évaluation de la dispersion de principes actifs utilisés pour traiter les plans d’eau eutrophisés

Applications of Computational Fluid Dynamics (CFD) for water flow simulation and evaluation of the dispersion of an active substance used for the treatment of eutrophicated water bodies

• Auteur / Autrice : Amahoué François Moussoh
• Direction : Jean-Pierre Leclerc, Marie-Noëlle Pons
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 23/05/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Damien Banas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Gérardin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Robert Mosé, Dominique Toye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles hydrologiques

Plans d'eau

Eutrophisation -- Lutte contre

Diffusion en hydrologie

Modélisation CFD

Mots clés libres

Traitement des eaux

Simulation

MFN

Traçage

Dispersion de substance

Algues

Eutrophisation

Water treatment

Simulation

CFD

Tracer

Dispersion of substance

Algae

Eutrophication

Résumé

Ce travail se situe dans le cadre d’un projet global visant à développer un procédé innovant pour un traitement ciblé de plantes aquatiques invasives dans une masse d’eau lentique. L’un des enjeux est d’optimiser la concentration de substance active nécessaire pour éliminer les plantes ciblées sans créer de potentiels dommages écologiques. Une méthodologie basée sur une approche de modélisation ascendante a été appliquée en utilisant la Mécanique des Fluides Numérique (MFN) afin de pouvoir définir des conditions optimales pour un traitement efficace. Cette approche de modélisation a été appliquée pour la simulation de l’écoulement et la dispersion des substances actives de l’échelle d’un pilote de 1m3 à celle de plans d’eau alimentés en surface et par le fond. Cinq modèles de turbulence ont été présélectionnés afin d’évaluer leur influence sur les résultats de simulation. Le modèle RNG k-ε a été choisi définitivement après sa validation par des traçages expérimentaux à l’échelle du pilote mimant le fonctionnement hydrodynamique d’un plan d’eau réel. Des mesures expérimentales sur pilote et des simulations numériques réalisées à l’échelle de celui-ci et sur quatre configurations de plans d’eau ont permis d’évaluer l’impact de plusieurs paramètres hydrodynamiques (débit, nombre d’entrées et sorties, type d’alimentation en eau, …) et des forçages extérieurs (vent, température) sur le maintien de la concentration algicide au cours du traitement. Le vent joue principalement le rôle d'un diffuseur naturel provoquant 95% de la dilution de la concentration algicide. La prise en compte de la vitesse de réaction chimique de la substance active dans l’eau indique également une diminution de la concentration locale de substance active. Le traitement optimal ne serait donc pas seulement lié à la maîtrise de la concentration à injecter mais à une bonne compréhension de l’écoulement local

This work is part of an overall project to develop an innovative process for targeted treatment of invasive aquatic plants in a lentic water body. One of the challenges is to optimize the concentration of active substance required to remove the target plants without creating potential ecological damage. A methodology based on a bottom-up modeling approach was applied using Computational Fluid Dynamics (CFD) in order to define optimal conditions for effective treatment. This modeling approach was used for the flow and the dispersion of active substance simulations from a 1 m3 pilot to lentic water bodies fed by surface water or groundwater. Five turbulence models were preselected in order to assess their influence on the simulation results. The RNG k-ε model was selected after final validation by tracer experiments at pilot scale mimicking the hydrodynamics of a real lentic water bodies. Experimental measurements on pilot and numerical simulations carried out on scale thereof with four configurations of lentic water bodies have allowed to evaluate the impact of several hydrodynamic parameters (water flow, number of inlets and outlets, type of water supply, …) and external forcing (wind, temperature) on maintaining of algaecide concentration during the treatment. The wind mainly acts as a natural diffuser causing 95% of diluting the algaecide concentration. Taking account of the rate of chemical reaction of the active substance in water also indicates a decrease of the local concentration of active substance. The optimal treatment is not only based to the control of injected concentration but it is also related to a good understanding of the local water flow