PFE-simulation numérique d'un ecoulement turbulent a travers les conditionneurs-MATENE-2009

PRESENTATION DU PROJET

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SIMLATION NUMERIQUE D’UN ECOULEMENT

TURBULENT A TRAVERS LES CONDITIONNEURS

MATENE ELHACENE Ingénieur d’état en génie climatique

Inscrit première année magister (post de graduation)

E-mail : elhacenematene@gmail.com

TEL : +213 771 403 380 ALGERIE

Juillet 2009

PRESENTATION DU PROJET

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Introduction générale :

La mesure du débit des fluides est une opération très importante dans toute activité

industrielle. Son importance est dictée par les faits suivants:

Le contrôle et la régulation du processus de fabrication des produits ;

La mise en marche des machines énergétiques (moteurs, turbines , pompes etc..)

La commercialisation des fluides énergétiques.

La plupart des débitmètres industriels sont calibrés dans des conditions d’écoulement

parfaitement établi. Cette condition est très difficile à respecter en réalité étant donné la

présence des composants du système de conduite qui sont indispensables à son

exploitation. De ce fait, la présence de singularités telles que, vanne, coude …etc. constitue

manifestement une source d’erreur dans la mesure du débit. Afin d’éviter ces erreurs la

technologie des conditionneurs d’écoulement n’a cessé de se développer ces dernières

années. Ils ont pour rôle principal l’accélération de la formation de l’écoulement établi,

c’est à dire, l’obtention d’un profil de vitesse parfaitement établi sur une longueur de

conduite aussi réduite que possible.

Les normes internationales (ISO 5167, AGA 3 et ASME 2530) régissant les systèmes

de mesure de débit, stipulent que pour assurer une précision de mesure du débit, le

débitmètre doit être installé dans la conduite à un emplacement tel que la condition

d’écoulement immédiatement en amont soit celle d’un écoulement parfaitement établi.

Cette condition de l’écoulement ne peut être obtenu que si on dispose d'une longueur de

développement rectiligne et sans aucune interruption de l’ordre de 80 a 100 fois le

diamètre de la conduite. Dans la plus part des situations industrielles, cette longue distance

ne peut être assurée vue la présence d'éléments nécessaires au contrôle de l'écoulement tels

que les vannes, les coudes et les élargissements etc... La présence de ces éléments de

conduite crée des perturbations sévères dans le champ de l’écoulement et l’éloigne de la

condition d’écoulement établi requis par les normes en amont du débitmètre. Donc, dans

ces conditions, le débitmètre est contraint à mesurer dans des conditions qui diffèrent des

conditions standards. Par conséquence, des erreurs de mesure de débit peuvent être

enregistrées ; En raison de l’importance des débits de fluides transportés, une moindre

erreur peut causer des pertes économiques considérables qui peuvent s’élever à des

millions de Dollars.

En pratique industrielle, vu les raisons d’encombrement qui ne permettent pas

d’avoir de longues distances rectilignes de conduites, et afin d’atténuer les perturbations de

l’écoulement on place généralement entre le débitmètre et l'élément perturbateur un

dispositif dit redresseur ou conditionneur d'écoulement. Cet élément a pour mission

d'accélérer le développement de l'écoulement et d'assurer son établissement dans une

distance plus courte (comprise entre 20 et 30 fois le diamètre de la conduite, D).

Dans le secteur industriel, les conditionneurs d'écoulement les plus utilisés sont le

conditionneur Etoile, à faisceaux de tubes, le Zanker et le Sprenkle. Ces conditionneurs

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sont décrits dans les normes standards internationales relatives aux écoulements dans les

conduites (ISO 5167, AGA 3 et ASME 2530). Ce type de conditionneurs consiste en des

petits passages (en tubes, en hexagones etc..) de longueur de l’ordre de D à 2 D ; Ces

passages multiples permettent l’atténuation de la perturbation de l’écoulement ; D’autres

conditionneurs qui sont en phase de l’étude et de teste sont décrits dans la littérature

technique. La configuration de ces dispositifs consiste principalement en des plaque

perforés dont l’épaisseur ne dépasse longuerre 0.25 D. Parmi ces dispositifs on cite le

Mitsubishi, le Laws, et le CPA 50 E.

L’objectif de la présente étude est de réaliser des simulations numériques du

développement de l'écoulement après les conditionneurs d’écoulement décrits dans les

normes internationales et dans la littérature technique. Le développement de l'écoulement

après ces dispositifs sera examiné afin de vérifier leur capacité et leur efficacité à produire

la condition de l'écoulement établi nécessaire aux mesures précises des débitmètres.

L’analyse numérique est basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes avec

plusieurs systèmes de fermeture K- , K-ω et RSM. Aussi, nous exposons les travaux les

plus récents dans le conditionnement des écoulements et les conditionneurs les plus récents

qui sont recommandés par la norme ISO 5167 et les normes américaines. Une analyse des

résultats obtenus par Fluent est entamée en vue d’analyser quelques paramètres de

l’écoulement et leur établissement.

L’écoulement est exploré dans une conduite de 100 mm de diamètre. La

perturbation de l’écoulement est assurée par un double coude à 90° dans deux plans

perpendiculaires. Plusieurs chercheurs considèrent cette singularité comme une

perturbation standard qui non seulement produit un profil de vitesse très perturbé, mais

aussi des profiles d’intensité de turbulence perturbés. Les conditionneurs utilisés

séparément sont une plaque perforée, un redresseur Etoile et un faisceau de tubes.

Nous allons commencer notre étude par l’analyse numérique de certains profils

obtenus à partir de la simulation numérique d’un écoulement turbulent dans une conduite

lisse afin de voir la longueur de garde nécessaire pour obtenir un développement et un

établissement total de l’écoulement. L’analyse portera sur l’établissement du profil de

vitesse et d’intensité de turbulence. Cette analyse nous permettra de voir les performances

des trois conditionneurs en matière de production d’écoulement parfaitement établi sur des

longueurs de garde raisonnable avec les installations industrielles. Une fois l'analyse faite,

on pourra dégager le modèle le plus adapté pour l’étude des écoulements turbulent dans

des conduites lisses et les conditions les plus favorables pour le développement et

l'établissement rapide de l'écoulement.

Le mémoire est composé de six chapitres, dont le premier est consacré à une

présentation de la position du problème; un accent particulier est mis sur les conditionneurs

d’écoulement décrits dans les normes internationales et ceux décrits dans la littérature

technique. Une revue de la bibliographie concernant le problème de conditionnement et de

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conditionneurs d’écoulement dans ces différents aspects, est faite dans ce chapitre pour

bien situer le présent travail dans le cadre d’un effort portant sur l’amélioration des

performances des conditionneurs d’écoulement. Dans le chapitre deux nous présentons

Une revue bibliographique concernant la modélisation de la turbulence, ainsi que les

différents modèles de turbulence et le chapitre trois traite les méthodes numériques utilisée

pour la résolution des équations de Navier-Stokes. Au chapitre quatre nous présentons la

méthode numérique de prévision utilisée dans le cadre du présent travail et on décrit la

manipulation et les procédures de construction de la géométrie, le maillage sous Gambit et

la simulation sous Fluent dans l’annexe. La présentation de tous les résultats et leurs

discussions est faite au cinquième Chapitre. Finalement, le mémoire se termine par une

conclusion générale du travail.

Noter que le présent travail entre dans le cadre du projet de recherche

№0303920080007 agrée par la comité national d’évaluation et de programmation de la

recherche universitaire pour les années 2008 a 2011.

Présentation du code de calcul

L'augmentation rapide de la puissance des calculateurs a rendu possible le

développement de codes commerciaux traitant les problèmes de transport dans les fluides.

Il existe un certain nombre de codes tridimensionnels industriels, aux meilleurs

performants, permettant la prédiction d’écoulements de fluides (FLUENT, CFX,

PHOENICS,STAR-CD, TRIO, FEMLAB …).

Le code de calcul Fluent utilisé dans notre étude est commercialisé par le groupe

FLUENT. Ce groupe est actuellement l’un des pôles de compétence en mécanique des

fluides numérique les plus importants. Il développe et commercialise une solution

complète sous forme de logiciels de CFD (Computational Fluid Dynamics) généralistes qui

simulent tous les écoulements fluides, compressibles ou incompressibles, impliquant des

phénomènes physiques complexes tels que la turbulence, le transfert thermique, les

réactions chimiques, les écoulements multiphasiques pour toute l’industrie. Les produits et

services proposés par le groupe FLUENT aident les ingénieurs à développer leurs produits,

à optimiser leur conception et à réduire leurs risques.

Ce code est largement utilisé dans l’industrie aéronautique, automobile et offre une

interface sophistiquée qui facilite son utilisation.

Fluent est un logiciel largement utilisé dans l’industrie parce qu’il offre une

interface sophistiquée qui facilite son utilisation. Ces raisons ont motivé notre choix

pour l’utilisation de Fluent.

Modèle de turbulence :

Le code de calcul Fluent propose trois méthodes de fermeture basées sur l’approche

statistique :

♦ Le modèle k-ε et ses variantes

♦ Le modèle de turbulence k–ω

♦ Le modèle des contraintes de Reynolds (RSM)

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On s’intéresse a ces trois modèles de turbulence, puisque Fluent propose d’autres modèles

tel que(LES, Spart-allmars,…)

Etude numérique :

Afin de montrer l’influence de perturbation sur l’établissement d’écoulement, on a

étudié le développement d’écoulement dans une conduite avec et sans conditionneur pour

examiner les conditions d’écoulement établi.

Pour notre étude, on a examiné les différents modèles de turbulence avec les deux

géométries (sans et avec conditionneur d’écoulement).

-Configuration :

L’étude numérique s’appuie sur les deux cas expérimental mentionné ci-dessus :

1.Installation sans conditionneur :

Figure IV.1.installation sans conditionneur d’écoulement.

2.Installation avec conditionneurs d’écoulement :

-La plaque perforée est placée à une distance de (4,5*D) après la sortie du deuxième

coude

-Le faisceau de tube et le modèle étoile sont placés a une distance de (2,5*D) après la

sortie de double coude.

Puisque on est limité par le temps et le matériel utilisé, a la sortie du conditionneur

on utilise une longueur de (50*D) au lieu de (150*D).

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Figure IV.2.installation avec conditionneur d’écoulement.

IV.7.1.3.description du conditionneur utilisé :

La plaque perforée est composée de 19 perforations ; on a un trou centrale de

diamètre (𝑑1 = 0,225 ∗ 𝐷) entouré par 6 trous de diamètre (𝑑2 = 0,213 ∗ 𝐷) et ces

derniers sont entourés par 12 trous de diamètre (𝑑3 = 0,177 ∗ 𝐷),la plaque a un épaisseur de (0.123D)

Figure IV.3.géométrie de la plaque perforée Laws.

Le conditionneur Laws est comparé avec les deux conditionneurs suivants :

a)- faisceau de tubes : Ce modèle est composé de 19 tube de diamètre ( 𝑑 =0,095 ∗ 𝐷) . ils ont la configuration indiquée a la figure ci-dessous :

Figure IV.4.géométrie du faisceax de tube

b)-modèle étoile :

Le modèle étoile à une longueur de (2*D) et l’épaisseur des plaques utilisées est de

(0,01D)

Figure IV.5.géometrie du modèle étoile.

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CONCLUSION :

L’objectif de notre étude était de faire une étude numérique sur le développement des

écoulements naturel et le développement des écoulements après les conditionneurs

d’écoulement afin d’examiner leur capacité à produire la condition de l’écoulement établi

dans les conduites circulaires lisses. On a aussi essayé d’examiner l’efficacité de quelques

modèles de turbulence à modeler les écoulements turbulents dans les conduites circulaires

Sans oublier notre but principal qui est la maîtrise du puissant code de calcul "Fluent".

Les conclusions majeures tirées de cette étude peuvent être regroupées dans les

points suivants :

Etude de l’efficacité de trois modèles de turbulence a simulé les écoulements

dans les conduites circulaires :

Malgré les difficultés matérielles, on a réalisé une simulation en 3D. La comparaison

des deux modèle k-epsilon et k-oméga avec le modèle RSM a révélé la supériorité du

modèle RSM pour la prédiction des résultats expérimentaux.

Etude de la capacité prévisionnelle de la méthode numérique à simuler les

écoulements après les conditionneurs d’écoulement :

L'étape d'apprentissage du code de calcul nous avait pris un temps considérable vu la

multitude des réglages disponibles sous le logiciel, ainsi que la base théorique elle-même

des différents paramètres à ajuster. Entre temps, nous avons fait plusieurs "fausses routes"

sur la géométrie, le maillage, les conditions aux limites et les valeurs de référence de

"Fluent". Après cela, nous nous sommes attelés à démontrer l'indépendance de la solution

calculée par rapport à la résolution du maillage, puis la convenance des modèles de

turbulence,

Dans le présent travail, la méthode numérique utilisée a été démontrée efficace pour

mener les simulations du développement des écoulements naturel et le développement des

écoulements après les conditionneurs d’écoulement; Ceci a été montré à travers les tests de

validation des résultats numériques. Les comparaisons entre les prévisions numériques et

les mesures expérimentales tirées de la littérature technique pour le cas du développement

naturel et celui du développement de l’écoulement après les trois conditionneurs montrent

bien que les techniques numériques de la dynamique des fluides (CFD) constituent un outil

important pour l’étude du comportement des conditionneurs d’écoulement. Cette

conclusion est en parfait accord avec Aichouni et Laribi (2000) et Barton (2002).

Etude du développement d’écoulement après le conditionneur plaque

perforée.

Les simulations numériques de l’écoulement après le conditionneur type plaque

perforé Laws sujet à une perturbation crée par un double coude perpendiculaire dans deux

plan différents sont met en évidence l’efficacité des redresseurs d’écoulement dans la

production de la condition d’écoulement établi dans des distances de développement

beaucoup plus courtes que celles obtenues sans ces dispositif de conduite.il est évident que

le conditionneur Laws est capable de réduire la longueur de l’établissement de

l’écoulement dans une conduite. Un profil de vitesse moyenne acceptable selon les normes

standard ISO5167 peut être obtenu après une longueur de 8D, les profils des paramètres

turbulents nécessitent des longueurs de développement beaucoup plus importantes.

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Etude de performance de trois conditionneurs d’écoulement à la production de

la condition de l’écoulement établi :

L’efficacité des trois conditionneurs d’écoulement (Etoile et faisceaux de tubes

décrits dans les normes internationales (ISO5167, ASME 2530 et AGA3)et le et le

conditionneur plaque perforée Laws) à produire la condition de l’écoulement établi a été

examinée. Les principales conclusions sont :

Le conditionneur d’écoulement plaque perforée Laws étudié dans le présent

travail présente les meilleures performances à éliminer les perturbations de

l’écoulement causées par les doubles coudes perpendiculaire dans deux plans

différents, et à produire la condition de l’écoulement établi dans la marge des ±5% du profile complètement établi (obtenu après 8 diamètres de

développement); Cette supériorité du conditionneur Laws par rapport aux

conditionneurs standards Etoile et à faisceaux de tubes, est attribuée au

principe de ce conditionneur qui realise un mixage turbulent (caractéristique

des plats perforés) .Cette conclusion est en accord avec les mesures

expérimentales faites par Laws et Ouazzane (1995), Ouazzane et Barrigou

(1999), Gallagher et Saunders (2001), Merzkirch(2001) et plus récemment

par Laribi et al. (2003).

Les conditionneurs standards tels que l’Etoile et le faisceaux de tubes ne sont

pas capable de produire la condition d’écoulement établi dans des distances

de développement comprises entre 10 et 20 diamètres comme prescrit dans

les normes internationales.