Aerodynamique et turbulence dans les Cyclone séparateurs

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR
ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE MENTOURI CONSTANTINE
FACULTE DES SCIENCES DE L'INGENIEUR
DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE

N° d'ordre : /Mag/2006.

Série : /GM/2006

MEMOIRE

Présenté pour l'Obtention du Diplôme de Magister
En Génie Mécanique

OPTION:

Thermo-Fluides

Par :
GHITI NADJIB

Soutenu le: /.... .. /

Devant le jury composé de :

Président .
· M^r NEMOUCHI Professeur Université Mentouri Constantine

Rapporteur .
· M^r K . TALBI M.C Université Mentouri Constantine

Examinateurs .
· M^r. KADJA Prof. Université Mentouri Constantine

Mr I. BENISSAAD M.C Université Mentouri Constantine

Remerciements

,Ce travail a été réalisé au Département de Génie mécanique université de Constantine à distance pendant deux ans dans le cadre d'une travail de recherche en magister option Thermofluides. Je saisis l'occasion de remercier tous les enseignants du département de Génie Mécanique et en particulier l'équipe du LEAP pour leurs soutiens et formation.

Je tiens tout d'abord à remercier très chaleureusement Le Docteur Talbi Kamel Durant ces deux ans, il m'a fait partager toute sa compétence, son savoir et ses nombreuses idées, avec confiance. Cette confiance, associée à son soutien et à sa gentillesse a été un enrichissement incroyable, et pas seulement scientifique. Ce travail a donc été un réel plaisir grâce à lui.

J'exprime ma profonde reconnaissance à Monsieur le Professeur ZOUBIR NEMOUCHI qui a bien voulu m'honorer en acceptant d'être le président de jury.

Je suis extrêmement sensible à l'honneur que me font Messieurs : Le Professeur KADJA MAHFOUD et Le Chef de département ISMAIL BENISSAAD, Maître de Conférences à l'université de Constantine, en acceptant de participer à cette mémoire de magister.

Je voudrais remercier vivement ma famille et plus spécialement mes parents Hassnaoui et Yamouna pour leur soutien durant toutes mes études. Mes frères Nabil, Driss, Amir, J'associe également à ces remerciements tous les autres membres de ma famille.

i

Sommaire

Chapitre I

1-1) Introduction 1

1-2) Domaine d'étude .....3

1-3) Recherche bibliographie 7

1-4) But du travail 14

1-4-1) Objectif du présent travail 14

1-4-1) Présentation du contenu de la thèse 15

Chapitre II

2-1) Introduction 16

2-2) Données expérimentales 16

2-3) Equations de transport 18

2-3-1) Equation de continuité 18

2-3-2) Equations de quantité de mouvement (de Navier Stokes) 18

2.4) Moyennes .18

2-4-1) La moyenne d'ensemble 18

2-4-2) La moyenne temporelle .19

2-5) Les équations de Reynolds ..19

2-5-1) Décomposition statistique 19

2-5-2) Règles de Reynolds ..19
2-5-3) Les tensions de Reynolds 20

2-5-4) Equations de transport aux tensions de Reynolds 20

2-6) Bilan aux tensions de Reynolds 21

2-6-1) terme de production .21

2-6-2) Taux de dissipation visqueuse 22

2-6-3) Corrélation pression-taux de déformation 22

2-6-4) terme de transport diffusif ..23

2-7) Modèle (k-å) 24

2-7-1) Concept de Boussinesq 24

2-7-2) Equation modélisée de k .25

2-7-3) Equation modélisée de å 25

	Sommaire
2-7-4) Calages des constantes	....26
2-8) Modèle k-å modifié	26
2-8-1) Conditions aux limites	27
2-8-2 ) Traitement à la paroi	.32
2.9) Méthode numérique	33
2-9-1) Maillage	33

Chapitre III

I PARTIE UN

3) Discussion des résultats	35
3-1) Les contours de vitesse	35
3-1-1) Contours de vitesse tangentielle, axiale et radiale	...36
3-1-2) contours de vitesse résultante	38
3-2) Contours de pression	...41
3-3) Champ de l'énergie cinétique turbulente et intensité de turbulence	42
3-4) Visualisation des vecteurs vitesse tangentielle au fond du cyclone C	43
3-5) Profils de pression et vitesses à une station z =200 mm sous le conduit de sortie .........	45
3-5-1) Profils de pression	...45
3-6) Profils de pression et vitesse à la station Z = 741 mm sous le conduit de sortie dans la partie conique	.50
II PARTIE DEUX Influence de la profondeur de conduit de sortie du cyclone A sur l'écoulement	54
3-6) Optimisation de la longueur du conduit de sortie	55
3-6-1) Comparaison des pressions statiques dans les trois cas du cyclone A	...55
3-6-2) Contours des vitesses moyennes	56
3-6-3) Composantes de vitesse moyenne : Station à z = 200 (mm) sous le conduit de sortie	60
a) vitesse moyenne axiale	.60		b) vitesse moyenne radiale
61
c) vitesse moyenne tangentielle	61
3-6-4) Pression statique	63
	II

Sommaire

3-6) Profils de pression et vitesse à z = 741 (mm) dans la partie conique 64

III PARTIE TROIS Comparaison entre les modèles RNG K-å et le modèle RSM

appliquée à la géométrie A 66

3-7-1) Contours des vitesses .69

3-7-2) Champ de l'énergie cinétique turbulente 69

3-7-2-1) Contraintes de Reynolds Normales et tangentielles 74

a) Station z = 200 mm sous le conduit de sortie 74

b) Station à z = 750 mm dans la partie conique 74

3-7-2-2) Contours de contraintes de Reynolds 75

5-8) Conclusions 78

Sommaire

Sommaire des figures

Chapitre I

Figure (1-1) Cyclone classique et notations associées 2

Figure (1-2) Schéma de principe de la séparation des particules 2

Figure (1-3) Définie le cyclone A 5

Figure (1-4) Définie le cyclone B, présentant un obstacle de piégeage 5

Figure (1-4b) cyclone B .6

Figure (1-5) cyclone C avec une rallonge cylindrique ..6

Chapitre II

Figure (2-1) régime d'écoulement dans une canalisation 17

Figure (2-2) Enregistrement de vitesse en régime turbulent 17

Figure (2-3) Différentes régions dans une couche limite sur une paroi plan 29

Figure-(2.4) Exemples de mailles utilisées en volumes finis par Fluent 33

Chapitre III

Figure-(3I-1) maillage des trois géométries 35

Figure-(3I-2) contours des vitesse tangentielle (m/s géométries : A (gauche),

B (milieu) et : C 36

Figure-(3I-3) Vitesse axiale (m/s) géométries : A (gauche), B (milieu) et C .37

Figure-(3I-4) Vitesse radiale (m/s) géométries : A (gauche), B (milieu) et C 38

Figure-(3I-5): Vitesse résultats (m/s) géométries : A (gauche), B (milieu) et C ...39
Figure-(3I-6): Vecteurs vitesse résultats (m/s) composantes : radiale, axiale, tangentielle à

l'entrée ...40

Figure-(3I-7) Pression statique (m/s) géométries : A (gauche), B (milieu) et C .41
Figure-(3I-8) Energie cinétique turbulente (m²/s²) géométries : A (gauche), B (milieu) et C
42

Figure-(3I-9) Intensité turbulente (%) géométries : A (gauche), B (milieu) et C .43

Sommaire

Figure-(3I-10a): Vecteurs de vitesse tangentielle (m/s) dans la partie inférieure de la

géométrie C 44
Figure (3I-10b) : Vecteurs de vitesse tangentielle d'après l'expérimentale de S Obermair

et al (2001) pour le cyclone C 44

Figure-(3I-11) Pression statique pour les cyclones A, B et C sous le conduit

de sortie à z = 200 mm 45

Figure-(3I-12) Vitesse résultante pour les cyclones A, B et C sous le conduit

de sortie à z = 200 mm 46

Figure-(3I-13) Vitesse axiale pour les cyclones A, B et C sous le conduit

de sortie à z = 200 mm 46

Figure-(3I-14) Vitesse radiale pour les cyclones A, B et C sous le conduit

de sortie à z = 200 mm 47

Figure-(3I-15) Vitesse tangentielle pour les cyclones A,B et C sous le conduit

de sortie à z = 200 mm ....47

Figure-(3I-16) pression statique dans la partie conique sous le conduit

de sortie à z = 741 (mm) 50

Figure-(3I-17) Vitesse résultante dans la partie conique sous le conduit

de sortie à z = 741 (mm) 51

Figure-(3I-18) Vitesse axiale dans la partie conique sous le conduit

de sortie à z = 741 (mm) 52

Figure-(3I-19) Vitesse radiale dans la partie conique sous le conduit

de sortie à z = 741 (mm) 53

Figure-(3I-20) Vitesse tangentielle dans la partie conique sous le conduit

de sortie à z = 741 (mm) 53

Figure-(3II- 1) Pression statique (Pa) dans les géométries A1 (gauche),

A2 (droite) 55

Figure-(3II-2) contours de la vitesse axiale (m/s) dans les géométries A1 (gauche),

A2 ( droite) .57
Figure-(3II-3) Contours de la vitesse radiale (m/s) dans les géométries A1 (gauche),

A2(droite).Ventrée=1 2.5m/s 58
Figure-(3II-4) contours de la vitesse tangentielle (m/s) dans les

géométries A1 et A2 58

Figure-(3II-5) contours de l'énergie cinétique turbulente (m2/s2) dans les

géométries A1 (gauche), A2 (droite) .59

Sommaire

Figure-(3II-6) Contours de l'intensité turbulente (?) dans les géométries

A1 (gauche) et A2 (droite) 59

Figure-(3II-7) vitesse axiale (m/s) à z = 200 (mm) sous le conduit de sortie ...60

Figure-(3II-8) vitesse radiale (m/s) à z = 200 (mm) sous le conduit de sortie 61

Figure-(3II-9) vitesse axiale (m/s) à z = 200 (mm) sous le conduit de sortie .62

Figure-(3II- 10) Résultante de vitesse (m/s) à z = 200 (mm) sous le conduit de sortie 63

Figure-(3II-1 1) Pression statique (Pa) à z = 200 (mm) sous le conduit de sortie ...64

Figure-(3II-12) pression statique (Pa) ....64

Figure-(3II-13) vitesse résultante des cyclone A, A1 et A2 à la station z = 741mm 65

Figure-(3III-1) Contours de la pression statique obtenus par le modèle RSM 67

Figure-(3III-2) Contours de la vitesse axiale obtenus par le modèle RSM 67

Figure-(3III-3) Contours de la vitesse radiale 68

Figure-(3III-4) Contours de la vitesse tangentielle (m/s) 68

Figure-(3III-5) énergie cinétique turbulente ..67

Figure-(3III-6) Pression statique à z = sous le conduit de sortie .70

Figure-(3III-7) vitesse résultante (m/s) 71

Figure-(3III-8) vitesse axiale (m/s) 71

Figure-(3III-9) vitesse radiale à z = 200 mm sous le conduit de sortie 71

Figure-(3 III-10) vitesse tangentielle (m/s) à z = 200 mm sous le conduit de sortie 72

Figure-(3III-1 1) contrainte de Reynolds (m\+(2)/s\+(2)) à z = 200 mm 73

Figure-(3III-12) Contraintes de Reynolds dans la partie conique de la géométrie A .....73

Figure-(3III-13) contours des contraintes normales de Reynolds ....76

Figure-(3III-14) Contou

Résumé

On présente dans cette mémoire l'étude de l'effet de la variation de la géométrie sur l'écoulement turbulent d'air dans un cyclone en utilisent deux modèles numériques, le premier modèle basé sur la dissipation de l'énergie cinétique par viscosité (K å), ainsi que le deuxième modèle basé sur la résolution des équations a contraintes de Reynolds (RSM), pour cela on a diviser cet recherche à trois parties :

Etude de l'effet de variation de la sortie inférieur du cyclone, on a fixé un corps conique devant la sortie de la géométrie (B), après on a remplacer le corps précédente par un tube cylindrique (C), après on a fait une comparaison dans la différences de pression on a constater que la géométrie (C) est meilleur point de vue rendement d'écoulement d'air.

Etude de l'effet de longueur du conduit de sortie supérieur de l'air frais, par l'utilisation de trois longueurs différentes, on a trouvé que la longueur originale (A) le meilleur.

Etude de l'écoulement turbulente de l'air dans la géométrie (A) à l'aide des deux modèles précédents on a constater que le modèle (K å) donne des bons résultats en terme du temps de calcule pour les nombres des variables réduits.