Memoire Online - Aerodynamique et turbulence dans les Cyclone séparateurs

Le principe de fonctionnement d'un cyclone est basé sur l'effet de la force centrifuge engendrée par un mouvement tangentiel d'un fluide à l'entrée du cyclone. Les particules emportées par le fluide se retrouvent éjectées vers les parois extérieures puis collectées dans la partie conique inférieure. Le fluide lui s'échappe dans le cylindre intérieur appelé aussi conduit de sortie en haut de l'appareil. Ce dispositif séparateur est simple par sa géométrie et sa construction, peu coûteux et sans éléments en mouvement et qui ne nécessite pas beaucoup de maintenance.

Beaucoup de produits industriels et naturels gazeux ou solides se trouvent mélangés, et pour les séparer on a besoin d'un mécanisme de séparation. Le premier appareil destiné à cette opération fût le cyclone depuis la fin du siècle dernier. L'idée est simple, on impose au fluide une entrée tangentielle ou axiale (aidé par un organe) lui permettant de projeter et de séparer les particules polluantes solides ou gazeuses vers la paroi extérieure, où elle glissent vers le bas de l'appareil, tandis que le gaz purifié est éjecté à travers le conduit de sortie en haut de l'appareil. Les diverses contraintes environnementales, l'évolution des moyens de productions et l'obligation des résultats en matière d'hygiène, de santé publique et de protection du travail imposent aujourd'hui à l'industrie de maîtriser en terme de pollution aussi bien les effluents gazeux qu'il rejette que l'air ambiant dans l'atelier. Ces contraintes ont poussé les scientifiques et les industriels à s'investir dans ce domaine, ce qui a élargi le domaine des cyclones dans plusieurs secteurs d'applications. On peut citer par exemple :

*) La mise en oeuvre est simple et les coûts d'investissement et de maintenance réduits.

*) La gamme des débits traités est grande : des cyclones échantillonneurs aux cyclones industriels, le débit volumique peut varier de moins d'1 m³/h jusqu'à 30.000 m³/h.

*) des fluides très chargés peuvent être traités, jusqu'à plusieurs kilogrammes de poussière par mètre cube d'air dans des cyclones destinés au cimenterie, de diamètre allant de 4 à 6 mètres.

*) les cyclones peuvent travailler à température élevée (jusqu'au 2000 K) et à haute pression (jusqu'à 100 bars)

Le principal facteur du cyclone est de prévoir ses performances (perte de charge, efficacité, nature de l'écoulement,...) et de le dimensionner. Pour résoudre ce problème, de nombreuses études proposent des modèles de turbulence pour bien comprendre la nature de l'écoulement aérodynamique qui est très complexe. Ceci a conduit à offrir une grande variété de formes de cyclones, qui sont autant d'essais d'optimisation aux réponses à une application spécifique. Nous donnerons un exemple d'un cyclone conventionnel à entrée tangentielle, schématisé sur la figure (1-1,1-2).

Géométries	A	B	C	A1	A2
H	950	950	950	950	950
h	500	500	500	500	500
D	400	400	400	400	400
ds	150	150	150	150	150
A	175	175	175	175	175
B	100	100	100	100	100
Dch	296	296	296	296	296
Hch	296	296	296	296	296
ö	180	180	180	180	180
L*	*****	*****	500	*****	*****

* La longueur de prolongement de la conduite cylindrique (C). Tableau 1-1 : Dimensions des cyclones.

Plusieurs méthodes numériques sont alors nées et ont contribuées à l'étude de plusieurs phénomènes physiques que se soit industriel ou théorique. Parmi, l'outil numérique le plus utilisé actuellement qui trouve beaucoup d'applications dans le domaine industriel quelques soit la complexité, on trouve le code commercial « FLUENT ». En effet, les codes actuels de simulation s'adaptent très bien avec les géométries complexes en utilisant un maillage non structuré quelconque pour remédier aux problèmes de frontières irrégulières ou aux formes un peu particulières. Cette opportunité a permit l'élaboration de plusieurs contributions récentes s'intéressants au champs tridimensionnel complet de l'aérodynamique dans les cyclones. Parmi ces travaux, certains s'intéressent aux trajectoires des particules pour déterminer ce qu'on appel le diamètre de coupure pour lequel le cyclone devient inefficace H.Yochida (1996). D'autres donnent plus d'importance à l'aérodynamique du fluide sans injections de particules pour étudier les phénomènes complexes qui ont lieu dans différentes parties d'un cyclone pouvant, ainsi, remédier au problème essentiel des cyclones qui est la perte de charge très importante M. Slack (2003), comme la forme géométrique a son influence sur l'efficacité de séparation des particules. Nous sommes aller vers l'étude suivante.

Dans ce travail, on va présenter trois configurations géométriques différentes. Ces trois géométries (A, B et C) sont constituées par un même corps cylindrique dans lequel est monté le conduit de sortie et une partie conique similaire. Les deux cyclones (A et B) sont identiques la différence se trouvent seulement dans la partie récupérateur où on implante un élément parallèle à l'axe du cyclone qui piège les particules dans ce dernier (voir figure-(1-4b).

On remarque, dans la première que le fond est une cuvette de forme cylindrique. Cette figure
présente la forme la plus courante des cyclones utilisées dans l'industrie. L'entrée tangentielle

imprime au fluide chargé un mouvement de révolution autour de l'axe. Le fluide, en écoulement de type tourbillonnaire non entretenu, descend dans l'espace annulaire puis dans le cône où se fait le retournement et, toujours en rotation, remonte dans le conduit de sortie. Le cylindre est prolongé par un cône (ou partie appelé aussi par un terme technique le trémie) vers le bas duquel sont évacués les poussières captées. Le conduit de sortie de l'air et les poussières fines est un conduit coaxial au cylindre. L'écoulement après le parcourt de l'espace libre trouve une zone de séparation qui peut-être schématisé par deux vortex comme l'indique la figure (1-2). Nous verrons plus loin que l'écoulement est très complexe, est peut être gérer par:

- un vortex annulaire descendant (appelé aussi par d'autres auteurs mouvement irrotationnel)

Du fait de la rotation, les particules présentes dans le gaz sont soumises à une force centrifuge. Elles sont projetées vers les parois du cyclone le long duquel elles descendent vers le récupérateur. Dans la partie conique (ou trémie), le mouvement de rotation est accéléré et la distance des particules à la paroi est réduite.

Par contre, le cyclone B son fond est identique au cyclone A, la seule différence se situe dans la cuvette du fond du cyclone, où on rajoute dans cette partie un élément en plus (voir figure-(1-4a et 1-4b)) qui sert pour le piégeage des particules dans cette zone. Par la suite la conception du cyclone C est bien différente aux deux autres, par sa partie inférieur à partir du cône, on prolonge ce dernier par un tube cylindre pour canaliser l'écoulement jusqu'à la cuvette.

1-3) Recherches bibliographies :

Yoshida. H (1996) a mené des études expérimentales et numériques sur l'efficacité de filtration d'un cyclone conventionnel et d'un cyclone modifié. Ce dernier comporte dans la partie basse de récupération des particules un cône déplaçable verticalement qui empêche le retour vers le haut des particules. Il est aussi caractérisé par une entrée en spirale (virole) dans le plan perpendiculaire à l'axe. L'étude numérique tridimensionnelle confirme le résultat expérimental que l'efficacité de filtration obtenue par le modèle proposé est meilleure que celle du cyclone conventionnel. Le modèle de turbulence k-å appliqué à l'écoulement en question qui a été utilisé en conjonction avec le schéma numérique Quick s'est avéré performant.

Slack et al. (2003) ont présenté un développement d'une interface pour améliorer l'utilisation du logiciel Fluent par des utilisateurs non experts. L'article décrit un outil automatisé qui permet à l'ingénieur d'effectuer des simulations sur les cyclones permettant ainsi des conceptions plus rapides et moins coûteuses.

Bruno Reinhardt et al (1997) Parallèlement à l'étude expérimentale faite par fil à chaud, une étude numérique a été menée à travers le développement de calcul, nommé CYCLOP « fruit d'une collaboration européenne »qui dérive du code FLUENT. Ce code développé se base essentiellement sur la méthode des volumes finis, qui permet d étudier des écoulements turbulents, visqueux, incompressibles, bidimensionnels et axisymétrique grâce à l'utilisation d'une condition de symétrie. L'Algorithme SIMPLE est utilisé pour la résolution du système composé des équations de Navier-Stokes et de fermeture K-å ou RSM. La simulation a été testée sur des cyclones de 400 et 800 mm de diamètre. Par la suite, l'auteur a utilisé une modification du modèle de turbulence pour prendre correctement en compte l'effet d'échelle sur le développement du vortex. Dans son travail, il conclu que les profils de la vitesse tangentielle, adimensionnée par la vitesse moyenne d'entrée, et du taux de turbulence, en fonction du rayon, adimensionné par le rayon du cyclone, sont pratiquement confondus et indépendants de la vitesse moyenne d'entrée pour les deux configurations. Dans la région du vortex forcé, la simulation est conforme avec l'expérimental, par contre dans le noyau du vortex (lieu de rencontre des deux vortex), en utilisant les équations de N-S avec les deux équations de fermetures K et å, les écoulements dans les deux cyclones homothétiques, sont

en parfaite similitude, expérimentalement, les conclusions sont totalement différentes. Le modèle de turbulence pour ce cas doit-être changé d'après l'auteur.

Romualdo L et al (1999) Parmi les différentes théories existantes pour prédire l'efficacité de collection des cyclones, on montre que la théorie de diffusivité de Mothes et Loffler (1988) donne le meilleur calage des courbes d'efficacité observées. Toutefois, le manque de connaissances sur la dépendance du coefficient de dispersion turbulente des particules en fonction de la géométrie du cyclone, des conditions de fonctionnement et de la taille des particules a empêché jusqu'à présent l'application de cette théorie à des fins de prédiction ou d'amélioration de la conception des cyclones. Dans ce travail, on applique cette théorie à des fins de prédiction, en recourant à une relation empirique pour le coefficient de dispersion turbulente des particules. La relation proposée s'appuie sur une analogie avec la dispersion turbulente en lits garnis et s'exprime sous forme d'une corrélation faisant intervenir les nombres de Peclet et de Reynolds, radiaux de particules. Des cyclones à écoulement inverse à l'échelle de laboratoire ayant des géométries non encore publiées ont été construits afin de tester l'applicabilité de la relation proposée. La théorie de Mothes et Loffler (1988), lorsqu'elle est couplée aux estimations de coefficients de dispersion turbulente proposées, est un outil puissant pour prédire l'efficacité de collection des cyclones, sauf si on recourt à des outils de simulation de la dynamique des fluides.

Li Xiaodong et al (2003) Du point de vue de l'influence de la structure de turbulence, cet article présente une analyse élémentaire de l'interaction entre une particule et une phase gazeuses. Les effets de la structure de turbulence et l'épaisseur de la couche limite sur l'efficacité de séparation dans un séparateur cyclonique ont été étudiés. Les effets de la force de Saffman sur la trajectoire de particules sont également analysés. Les résultats indiquent que l'efficacité de séparation diminue avec une augmentation de l'intensité de turbulence et augmente avec une diminution de l'épaisseur de la couche limite. La force de Saffman peut augmenter la séparation de petites particules et peut également raccourcir leur temps de séjour dans le cyclone.

L'incrément de la turbulence laisse les particules entrer dans la zone où la vitesse axiale de

la phase gazeuse est ascendante qui donne une bonne explication pourquoi l'efficacité de séparation des petites particules est diminue relativement avec l'augmentation de l'intensité de

turbulence. Les résultats prouvent que l'efficacité augmente avec une diminution de l'épaisseur de la couche limite pour les particules de diamètre <30 micm.

Brennan. M.S (2003) Dans cet article l'écoulement turbulent dans un séparateur cyclonique est étudié avec la simulation des grand échelles (LES) basée sur une méthode d'élément spectral (de Fourier) on coordonnés cylindriques (SEM) En utilisant le modèle de sous maille de smagorinsky dans sa formulation standard et dynamique. Dans cette étude la partie inférieure est fermée car l'objectif principal de cette étude est d'étudier l'écoulement monophasé, qui est censé à partir du haut du cyclone. La grande vitesse d'agitation produit des difficultés pour les modèles statistiques simples de turbulence utilisés dans les équations de Navier stocks (RSM) comme Le modèle K-e qui encore est largement répandu pour la conception dans l'industrie. Pour le tenseur linéaire des contraintes les corrélations dans ces modèles échouent souvent en présence de la courbure des lignes de courant accompagnée d'agitation. Cet échec de ces modèles provoque souvent des profils de vitesse d'agitation typiques de la rotation d'un solide. RANS d'autre part utilise des modèles de paroi à pour dévier la couche limite, mais ne peut pas distinguer la phase de transition ver la turbulence. Ceci a encouragé le développement des approches hybrides telles que la simulation des échelles détacher-(DES, spalart et al, (1997), pour les résultats obtenus par RANS indiquent des faits de traction. Est d'abord que ce modèle simple échoue à Capturer la distribution correcte de vitesse de swirl et prévoit la vitesse axiale totalement incorrecte La distribution qui semblent ne pas être influencés par les conditions d'entré jusqu'à un degré semblable comme les résultats de DES. Les résultats du cyclone par LES indiquent le succès dans la prévision.

Richard Caetano et al (2003) Ce travail consiste à modéliser l'efficacité de filtration du système d'épuration Aireco. Cet échangeur épurateur se compose d'un corps cyclonique et de nappes de serpentins réfrigérés provoquant la condensation de la vapeur d'eau contenue dans le gaz pollué traité. Dans ce modèle, il se base sur deux cas de prédictions différents qui sont : * L'impaction inertielle qui intervient quant les particules transportées par l'air sont piégée

sur les serpentins en aval de l'entrée du fait de leur inertie. Les particules sont incapables de suivre la courbure des lignes de courant du fluide contournant le serpentin,

* Le piégeage des particules résiduelles par centrifugation comme dans un cyclone classique.
Ces dernières provoquent la condensation de la vapeur d'eau contenu dans le gaz pollué traité.
Pour augmenter l'efficacité du système, au lieu de considérer la pulvérisation de brouillards

d'eau dans l'écoulement gazeux comme il est parfois pratiqué, les auteurs proposent la condensation de l'air humide dans le corps même du cyclone. L'intérêt est de diminuer l'effluent liquide en grande quantité produit sur la pulvérisation qu'il faut ensuite traiter. Malgré, la complexité de la géométrie originale, les propriétés d'épuration du système sont décrites d'une manière simple et satisfaisante avec une incertitude relative de l'ordre de 5%. Cependant, cette approche globale est spécifique à cette configuration et donc manque d'universalité. En plus, elle nécessite la connaissance a priori de l'aérodynamique dans le cyclone.

Stefan Schmidt (2003) Dans cet article l'écoulement turbulent dans le cyclone est étudié en utilisant la simulation des grandes échelles (LES) basée sur les coordonnés cylindriques en utilisant la méthode des éléments spectrales de Fourier (SEM) avec le modèle de sous mailles de Smagorinesky dans sa forme standard et la formulation dynamique. Les résultats montrent qu'il y a une différence dans le modèle numérique et les résultats expérimentaux. Le système de coordonnées cylindriques utilisé dans le calcul par la méthode de Fourier (SMM) requises une périodicité dans la direction azimutal et il n'est pas capable de modéliser l'écoulement de paroi sur laquelle les profiles de vitesses sont interpolés.

Souzaa. F. J, et al (2004) La contribution actuelle vise à simuler un écoulement par le modèle LES (Large Eddy Simulation) pour prévoir son comportement dans un hydrocyclone fonctionnant sans noyau d'air (absence du core d'un cyclone où zone centrale de dépression). Des équations mathématiques régissantes l'écoulement ont été résolues par une méthode « pas fractionnement ou step method ». Cette approche exige que les grands tourbillons anisotropes résolus directement tandis que les plus petits tourbillons soient modelés. Le modèle de Smagorinsky est employé principalement dans ce travail pour appuyer la consistance du travail en question. Le grand avantage de ce modèle se situe dans sa simplicité et la dépendance à l'égard d'une constante seulement. L'auteur conclu que le résultat numériquement obtenu est en bon accord avec les caractéristiques principales du modèle de l'écoulement et conviennent raisonnablement bien avec l`expérience, en suggérant que le modèle LES représente une alternative numériquement intéressante aux modèles classiques de turbulence lorsqu'ils sont appliqués à la solution numérique des écoulements dans les hydrocyclone.

L'accord entre les valeurs simulées et expérimentales de la chute de pression est satisfaisant, l'auteur espère que cette méthodologie actuelle sera employée dans le proche futur comme outil pour l'étude, conception et optimisation des hydrocyclones.

Obermain S. et al. (2001) ont effectué des mesures par LDA de l'écoulement à l'intérieur de différentes configurations de cyclone. Ils ont montré qu'en changeant la géométrie du fond du cyclone, l'aérodynamique résultante peut mener à une amélioration appréciable de l'efficacité de filtration. En effet, pour le cyclone conique classique les mesures montrent un vortex descendant le long des parois et un deuxième vortex remontant au centre transportant les particules vers le haut. Par contre, dans le cyclone qu'ils proposent où on prolonge la conduite de sortie à section constante (tube cylindrique) le piégeage de particules est bien capté dans cette configuration. En effet, dans le tube cylindrique rajouté le vortex ascendant traverse une région caractérisée par une grande vitesse tangentielle et une faible intensité de turbulence. Les auteurs concluent que cette dernière configuration améliore l'efficacité de filtration par rapport à celle des cyclones classiques.

Schmidt. St (2004) dans cet article l'auteur étudie l'influence du tube de sortie avec ses différentes configurations en longueur:

Jolius Gimbun et al (2001), Le présent travail présente un calcul de simulation numérique par le modèle RSM (Reynolds stress model) en utilisant un code commercial FLUENT 6.1 d'un fluide dynamique pour prévoir et évaluer les effets de la température et la vitesse d'admission sur la chute de pression des cyclones de gaz. Dans cet article on examine aussi, la comparaison de quatre modèles empiriques proposés par des hauteurs cités dans sa bibliographie travaillants dans le domaine pour prédire la chute de pression de la géométrie considérée. L'auteur conclu que toutes les prévisions avérées être satisfaisant une fois comparé avec les données expérimentales présentées. Les simulations de CFD prévoient d'une façon excellente la chute de pression de cyclone sous différentes températures et vitesses à l'admission avec un modèle empirique de déviation maximum de 3% des données expérimentales. Le code Fluent rapporte aussi avec le modèle RNG-K-å prévoit des prévisions raisonnables. La chute de pression de cyclone peut-être récrite comme fonction de la vitesse à l'entrée du cyclone. En conclusion, le modèle RSM s'adapte parfaitement avec le modèle empiriques de Lapple (1951) par contre le modèle de Dirgo (1985) est un peut dévié par rapport au modèle numérique RSM.

Talbi. K (2004), Pour bien comprendre le phénomène d'écoulement de séparation des particules du fluide d'entraînement sous le conduit de sortie de l'air, une étude expérimentale de l'écoulement turbulent tridimensionnel dans un cyclone est présentée. Des mesures des vitesses moyennes et des intensités de la turbulence axiales et tangentielles ont été effectuées par LDA. Le dispositif expérimental LDA a été monté de sorte que des traversées radiales puissent être faites en différents angles de la géométrie cylindrique du cyclone et en différentes stations axiales. Un phénomène très important est remarqué sous le conduit, est que, les courants descendant et ascendant sont séparés par une surface qui se situe pratiquement sur le prolongement du conduit central. L'existence d'un vortex quasi-forcé au centre et d'un vortex quasi-libre l'entourant est confirmée. Puis l'auteur de l'article confirme encore qu'il existe une la surface fictive entre les deux types de vortex peut être clairement définie comme l'ensemble de points d'intersection de la droite de pente +1 (LnUt en fonction de Lnr) dans le vortex quasi-forcé et de la droite de pente - 1 ( LnUt en fonction de Lnr) dans le vortex quasi -libre.

Kharoua. N (2005), la présente contribution concerne l'étude de l'influence du maillage et des schémas de discrétisation sur la solution numérique de l'écoulement tridimensionnel turbulent dans un cyclone dépoussiéreur (séparateur par effet cyclone).

L'intérêt de l'étude de l'aérodynamique dans les cyclones est d'optimiser leur fonctionnement, c'est-à-dire d'augmenter leur efficacité de filtration, tout en minimisant l'énergie consommée pour générer l'écoulement de l'air qui est due à la chute de pression importante entre l'entrée et la sortie du séparateur.

Des résultats, concernant la caractérisation du champ aérodynamique dans un cyclone dépoussiéreur, ont été obtenus par l'intermédiaire du code FLUENT.

Pour vérifier la consistance de son travail il a pris comme références les résultats publiés par Slack (2003) obtenus par le même code. Ce travail représente une modélisation d'un cyclone avec un maillage hexaédrique et plusieurs modèles de turbulence. Les résultats ont été validés par des résultats expérimentaux publiés par Boysan et al (1986).

Zhao et al (1999) ont étudiés l'écoulement dans un cyclone par deux méthodes. La première utilise le code commercial Fluent 3.03. L'écoulement est considéré tridimensionnel donc non axisymétrique. Il est tenu compte de l'effet de la turbulence par le modèle ASM. La deuxième approche, développée par les auteurs, est analytique. Une solution exacte a été donnée de l'équation de la fonction de courant pour l'écoulement permanent axisymétrique non- visqueux dans la zone conique du cyclone. Les résultats du cyclone ont été comparés avec les données expérimentales de Boysan et al (1982) et de Kelsall D.F. (1992). Les résultats numériques, analytiques et expérimentaux sont en bon accord. Cependant, il a été trouvé que les conditions à l'entrée notamment la vitesse moyenne et les contraintes de Reynolds ont une forte influence sur le comportement de l'écoulement à l'intérieur du cyclone.

Noriler. D et al (2004). Dans ce travail, un nouvel appareil mécanique pour améliorer l'écoulement du gaz dans les cyclones, en réduisant la perte de charge, est présenté et discuté. Ce comportement a lieu à cause des effets d'introduction du phénomène de cassage du « swirling » à l'entrée d'un tube qui canalise l'écoulement vers le centre, l'appareil se compose d'un tube ayant deux entrées de gaz, dans un « flux spiral » qui produit une réduction brusque importante de la vitesse tangentielle, responsable pour pratiquement de 80% de la perte de charge dans les cyclones. A son tour, Cette réduction de perte de charge casse le « swirling », et à cause de ça, les particules solides tendent à se déplacer plus rapidement vers la paroi, ce qui augmente le rendement de dépôts. Comme résultat de ce

phénomène, la performance globale des cyclones est augmentée. Les simulations numériques faites à 3-D, transitoire, asymétrique et anisotrope de turbulence à l'aide des équations différentielles des contraintes pour les géométries standards de 0.3 m de diamètre de Lapple (1951) et Stairmand (1951), montre une réduction des pertes de charge de 20% et un décalage du maximum de la vitesse tangentielle vers la paroi. Toutes les expériences numériques ont été menées à l'aide d'un code CFD commercial 3D montrant une stabilité numérique et de bons taux de convergence à l'aide des schémas d'interpolation d'ordre élevé, SIMPLEC pour le couplage pression-vitesse et d'autres propriétés numériques.

Fuping Qian et al (2006). L'article à pour but d'étudier la partie de l'écoulement des gaz dans le récupérateur ( casier) pour différents formes de cyclones, cyclone conventionnel et une variante de cyclones avec des tubes prolongés rattachés. Le modèle des contraintes de Reynolds a été utilisé pour prédire les champs d'écoulement des cyclones conventionnels et modifiés, de la vitesse axiale et de l'énergie cinétique turbulente ont été présentés ; et les débits d'écoulement descendant au récupérateur des trois cyclones sont comparés. Les performances de séparation de ces cyclones sont testées. Le résultat indique que la vitesse tangentielle, la vitesse axiale et l'énergie cinétique turbulente dans le récupérateur subissent une grande diminution lorsque le tube vertical a une longueur de 0.5 m. Par ailleurs, le tube vertical prolongé augmente l'espace de séparation des poussières. Le débit descendant vers le récupérateur du cyclone prolongé diminue par rapport au cyclone conventionnel. Les résultats expérimentaux montrent que le tube vertical prolongé peut améliorer le rendement de séparation par un accroissement léger de la perte de charge.

Cependant, pour un tube encore plus long, le rendement de séparation est légèrement diminué. Ainsi, il y'a une longueur optimale du tube pour un cyclone donné.

Aerodynamique et turbulence dans les Cyclone séparateurs

Summary

Nomenclature

1-1) Introduction :

1-3) Recherches bibliographies :