Modèle de biofilm CFD-CA avec suivi des bactéries dans un écoulement de canal à labyrinthe millimétrique pour les systèmes d'irrigation goutte à goutte

CFD-CA Biofilm Model with Bacteria Tracking in a Milli labyrinth Channel Flow for Drip Irrigation Systems

• Auteur / Autrice : Ihab Alazzam
• Direction : Olivier Boiron
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRPHE - Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre

Mots clés

Mots clés libres

Encrassement biologique

Cfd

Irrigation goutte à goutte

D'eau usée

Canal labyrinthe

Micro-PIV

Micro-PIV

Cfd

Drip irrigation

Water reuse

Labyrinth channel

Biofouling

Résumé

La demande d'une gestion efficace de l'eau devient évidente à la lumière des défis actuels en matière d'approvisionnement en eau. L'une de ces gestions des ressources en eau est le développement de techniques d'irrigation à faible consommation d'eau. L'irrigation goutte à goutte utilisant les canaux milli-labyrinthes simultanément avec les eaux usées traitées est l'une des avancées de l'utilisation de l'eau non conventionnelle et elle est considérée comme la technique la plus efficace pour fournir de l'eau aux plantes. L'utilisation des eaux usées récupérées (RWW) avec des dispositifs de micro-irrigation pour arroser les cultures présente de nombreux avantages tant pour les ressources en eau que pour la croissance des cultures. L'idée principale de l'utilisation de ce type de canal est de générer des pertes de charge, de réguler le débit à l'intérieur du réseau d'irrigation sous basse pression et de réduire les pertes d'eau. Les avantages de l'utilisation des eaux usées dans les systèmes d'irrigation comprennent l'amélioration du rendement des cultures, l'apport de nutriments pour la croissance des plantes et la réduction de la pression sur l'approvisionnement en eau. Malgré ses avantages, les principaux problèmes de ce type de section étroite et de géométrie de labyrinthe sont a) les tourbillons qui se produisent pendant l'écoulement lorsque la vitesse est trop lente ou égale à zéro dans ces régions, ce qui donne la chance aux particules ou aux substances biochimiques de s'échapper. se déposent et provoquent des colmatages à l'intérieur des canaux et b) la diversité des effluents RWW riches en nutriments et en matière organique s'avère complexe et liée à des effets de colmatage bien plus importants que lors d'un arrosage avec de l'eau conventionnelle. L'encrassement biologique dans les canaux milli-labyrinthes est l'un des défis qui concernent l'utilisation de ce type dans les réseaux d'irrigation en raison des questions soulevées sur sa durabilité, son efficacité et ses performances causées par le colmatage des canaux en raison de la croissance de biofilms, de nombreux types. Des recherches ont été menées et continuent d'étudier l'effet du biofouling sur l'efficacité de ces canaux et les facteurs favorisant ou empêchant la croissance du biofilm à l'intérieur de ce type de canaux, le biofouling a été facilité à proximité de l'entrée et dans les zones vortex des canaux goutteurs. où Re, la section transversale et la vitesse transversale étaient plus petites. L'étude proposée pour le canal milli-labyrinthe de section carrée (0,7 millimètres carrés (mm^2)) est composée de deux parties pour évaluer et améliorer l'utilisation des eaux usées pour l'irrigation dans les canaux milli-labyrinthes en minimisant l'impact du colmatage sur le efficacité opérationnelle du système. La première partie consiste à mener une expérience utilisant la technique de vélocimétrie par image de microparticules (Micro-PIV) avec la bactérie Escherichia coli (E. coli) à protéine fluorescente verte (GFP) pour caractériser et analyser expérimentalement le régime d'écoulement et le suivi des particules. Par conséquent, la simulation de dynamique des fluides computationnelle (CFD) à l'aide du logiciel ANSYS fluent sera appliquée à différents types de modèles d'écoulement turbulent (modèle K-Epsilon (k-ɛ), modèle K-omega (k-ω), modèles de contraintes de Reynolds (RSM). , et simulation aux grands tourbillons (LES)) pour comparer les résultats de ces modèles avec les résultats de l'expérience micro-PIV. La distribution de vitesse moyenne, les quantités de turbulence, le comportement de l'écoulement et les données de suivi des particules de l'expérience Micro-PIV et les différents résultats de simulations de modèles CFD dans l'écoulement du canal milli-labyrinthe seront présentés et discutés dans l'étude proposée. En perspective, la deuxième partie de ce projet consiste à étudier en profondeur l'hydrodynamique interne des dispositifs de micro-irrigation pour déterminer les critères et seuils de développement des biofilms, pour développer des systèmes dont la longévité et l'opérabilité seront améliorées. Au cours de ce projet, nous souhaitons mettre en place des études de Micro-PIV expérimentaux pour déterminer les seuils de développement que nous confronterons avec différents modèles de croissance sous écoulement à l'aide de simulations numériques du bioencrassement des canaux milli-labyrinthes dans le cadre de la réutilisation des eaux usées.

The demand for effective water management becomes evident in light of the current water supply challenges. One of these water resources management is the development of low water consumption irrigation techniques. Drip irrigation utilizing the milli-labyrinth channels simultaneously with treated wastewater is one of the advances of non-conventional water usage and it is considered to be the most efficient technique to deliver water to plants. Using reclaimed wastewater (RWW) with micro-irrigation devices for watering crops has a lot of advantages for both water resources and crop growth. The main idea of using this type of channel is to generate head losses, regulate the flow inside the irrigation network under low pressure, and reduce water losses. The advantages of using wastewater in irrigation systems include improving crop yield, nutrient supply for plant growth, and reducing the pressure on the water supply. Despite its advantages, the main issues with this type of narrow section and labyrinth geometry are a) the vortices that are produced during the flow when the velocity is too slow or equal to zero in these regions which gives the chance to the particles or biochemical to deposit and cause clogging inside the channels and b) the diversity of the rich RWW effluents in nutrients and organic matter proves complex and linked to clogging effects that are much more significant than when watering with water conventional. Biofouling in milli-labyrinth-channels is one of the challenges that concern the usage of this type in irrigation networks due to the questions raised about its durability, efficiency, and performance caused by the clogging of the channels because of the biofilm growth, many types of research have been conducted and continue to study the effect of biofouling on the efficiency of these channels and the factors support or prevent the biofilm growth inside this type of channels, biofouling was facilitated close to the inlet and in the vortex zones of the dripper channels where Re, cross-section, and cross-section velocity were smaller. The proposed study for square cross-section milli-labyrinth-channel (0.7 millimetres squared (mm^2)) is constructed of two parts to assess and enhance the use of RWW for irrigation in milli labyrinth channels by minimizing the impact of clogging on the operational efficiency of the system. The first part is to conduct an experiment using the Micro particle image velocimetry (Micro-PIV) technique with Escherichia coli (E. coli) green fluorescent protein (GFP) bacteria to characterize and analyze the flow regime and particle tracking experimentally. Consequently, computational fluid dynamics (CFD) simulation using ANSYS fluent software will be applied to different types of turbulent flow models (K- Epsilon Model (k-ɛ), K-omega model (k-ω) , Reynolds Stress Models (RSM), and large eddy simulation (LES)) to compare the results of these models with the micro-PIV experiment results. The mean velocity distribution, turbulence quantities, flow behavior, and particle tracking data from the Micro-PIV experiment and different CFD model simulations results within the milli-labyrinth-channel flow will be presented and discussed in the proposed study. As a perspective, the second part of this project is to study in depth the internal hydrodynamics of micro-irrigation devices to determine the criteria and thresholds development of biofilms, to develop systems whose longevity and operability will be improved. During this project, we wish to set up studies of experimental Micro-PIV to determine the development thresholds that we will confront with various growth models under flow using numerical simulations for the milli-labyrinth-channels biofouling in the context of wastewater reuse.