simulation numérique d'un ecoulement turbulent a traves les conditionneurs

1. PRESENTATION DU PROJET
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
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2. PRESENTATION DU PROJET
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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3. PRESENTATION DU PROJET
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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4. PRESENTATION DU PROJET
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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5. PRESENTATION DU PROJET
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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6. PRESENTATION DU PROJET
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 (������1 = 0,225 ∗ ������) entouré par 6 trous de diamètre (������2 = 0,213 ∗ ������) et ces
derniers sont entourés par 12 trous de diamètre (������3 = 0,177 ∗ ������),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 ( ������ =
0,095 ∗ ������) . 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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7. PRESENTATION DU PROJET
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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8. PRESENTATION DU PROJET
 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.
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