Étude numérique et expérimentale d'écoulements cycloniques : application à la dépollution d'air

Numerical and experimental study of cyclonic flows : application to air pollution control

• Auteur / Autrice : Zaher Bitar
• Direction : Céline Morin, Damien Meresse, François Beaubert, David Uystepruyst
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 11/05/2023
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Sofiane Khelladi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Meresse, François Beaubert, David Uystepruyst, Frédérique Larrarte, Marcello Meldi, Alexis Coppalle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédérique Larrarte, Marcello Meldi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pollution atmosphérique -- Lutte contre

Simulation par ordinateur

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Séparateur cyclonique

Cfd

Modélisation de la turbulence - transport de particules

Aérodynamique expérimentale

Granulométrie

Efficacité de séparation

Cyclone separator

Cfd

Turbulence Modelling - particles transport

Experimental aerodynamics

Granulometry

Separation efficiency

Résumé

La filtration des particules fines est un véritable enjeu de santé public. Les filtres constituent un élément indispensable pour la séparation des poussières fines dans de nombreux systèmes industriels. Cependant ils présentent des inconvénients majeurs : leurs encrassements rapides, leur maintenance très régulière, le risque de contamination de l’environnement suite au démantèlement et à la substitution des filtres. Les séparateurs cycloniques gaz-solide ou aéro-cyclones séparent les particules solides du gaz vecteur par effet centrifuge. Dans le but d’améliorer l’efficacité de séparation des cyclones, une étude expérimentale et numérique de type CFD a été réalisée afin de caractériser leurs performances. Un modèle numérique sous OpenFOAM a été développé et permet de simuler,pour des coûts de calcul acceptables, le transport de particules à l’intérieur d’un séparateur cyclonique et d’estimer l’efficacité de séparation pour des diamètres de particule compris entre 0,3 et 10 μm. La validation du modèle est réalisée à partir des mesures expérimentales. Un modèle numérique pour prédire l’écoulement turbulent à l’intérieur du cyclone a été défini. La fermeture des équations repose un modèle de turbulence hybride de type PANS et constitue un des aspects novateurs de la thèse. Les présents travaux ont montré que cette approche permettait d’obtenir les résultats avec la même précision que des modèles de fermeture du second ordre (RSM) ou de type LES mais avec un coût de calcul moindre. La modélisation du transport des particules repose quand à elle sur une approche de type DPM couplé à un modèle de dispersion turbulente afin de limiter là aussi la charge CPU. L’installation d’un banc expérimental, l’instrumentation et la calibration des moyens de mesure ont été réalisées. Des mesures aérodynamiques et de granulométrie ont été développées pour plusieurs configurations géométriques de cyclones. Les profils expérimentaux de vitesse tangentielle et axiale, ainsi que les mesures des pertes de charge ont permis de valider le modèle numérique. Ce dernier a, de plus, permis d’accéder à la topologie 3D complexe de l’écoulement et suivre le chemin suivi par les particules à l’intérieur du cyclone. A partir des mesures de granulométrie, les influences des différents paramètres (géométrie de cyclone, vitesse d’entrée d’air et types de poudres utilisées) sur les efficacités de séparation ont été étudiées. Les efficacités de séparation numériques et expérimentales ont été comparées pour valider le modèle de transport de particules.

The particulate matter filration is a real public health issue. Filters are an essential element for the separation of fine dust in many industrial applications. However, they have major disadvantages : their rapid clogging, their very regular maintenance, the risk of environmental contamination following the dismantling and replacement of filters. Cyclonic gas-solid separators or aerocyclones separate solid particles from the carrier gas by centrifugal effect. In order to improve the separation efficiency of cyclones, an experimental and CFD numerical study was carried out in order to characterize their performances. A numerical model using OpenFOAM has been developed and which allows to simulate, for acceptable computational costs, the transport of particles inside a cyclonic separator and to estimate the separation efficiency for particle diameters between 0.3 and 10 μm. The validation of this model is carried out on the basis of experimental measurements. A numerical model to predict the turbulent flow inside the cyclone has been defined. The closure of the equations is based on a hybrid turbulence model of the PANS type and constitutes one of the innovative aspects of the thesis. The present work has shown that this approach allows to obtain results with the same accuracy as second order closure models (RSM) or LES type but with a lower computational cost. The particle transport model is based on a DPM approach coupled with a turbulent dispersion model in order to limit the CPU load. The installation of an experimental bench, the instrumentation and the calibration of the measurement means were carried out. Aerodynamic and particle size measurements have been developed for several geometric configurations of cyclones. The experimental profiles of tangential and axial velocities, as well as the pressure drops measurements allowed to validate the numerical model. The latter also allowed to access the complex 3D topology of the flow and to follow the path followed by the particles inside the cyclone. From the particle size measurements, the influence of the different parameters (cyclone geometry, air inlet velocity and type of powders used) on the separation efficiencies was studied. The numerical and experimental separation efficiencies were compared to validate the particle transport model.