Dans les procédés industriels, il est rare qu’un seul fluide intervienne ; il est en effet courant que différentes phases, différents composants ou différentes espèces gazeuses interagissent entre eux. Des fours industriels aux systèmes d’extraction, en passant par les réacteurs et les équipements de ventilation, une caractérisation correcte du comportement du mélange est essentielle pour garantir la sécurité, l’efficacité et la qualité du procédé. C’est pourquoi les simulations CFD portant sur les mélanges gazeux constituent un domaine présentant un grand intérêt industriel.
Comment la simulation CFD est-elle appliquée au mélange de gaz?
Lorsque deux gaz ou plus entrent en contact à l’intérieur d’une conduite, d’une chambre ou d’un réacteur, il ne suffit pas de calculer uniquement le champ des vitesses et des pressions du fluide. Contrairement à une simulation CFD classique, il est nécessaire de calculer simultanément le mouvement du mélange et la concentration de chaque espèce chimique présente dans le domaine.
Pour ce faire, on utilise des modèles de transport des espèces, qui prennent en compte des phénomènes tels que la convection et la diffusion turbulente, ainsi que l’influence de la géométrie, des propriétés des gaz et des conditions de fonctionnement. Contrairement à une simulation d’un gaz simple, où les propriétés du fluide sont uniformes et constantes sur l’ensemble du domaine, il faut résoudre une équation de transport supplémentaire pour chaque espèce présente et mettre à jour en continu les propriétés locales du mélange : densité, viscosité et conductivité thermique, qui varient d’un point à l’autre en fonction de la composition locale.
Applications de la simulation CFD au mélange de gaz
Les applications de cette technologie sont très variées et couvrent de nombreux secteurs industriels. Parmi les domaines dans lesquels ces simulations apportent le plus de valeur, on peut citer:
- Systèmes d’extraction et de ventilation industriels : la simulation CFD permet de caractériser la répartition des gaz à l’intérieur des extracteurs, des hottes et des conduits, en évaluant l’efficacité de la captation et l’influence des conditions de fonctionnement sur l’écoulement.
- Fours et procédés thermiques : dans les équipements où coexistent des gaz de températures et de compositions différentes, le modèle des espèces permet d’étudier simultanément le mélange et le transfert de chaleur, en identifiant les zones d’accumulation de gaz ou les gradients thermiques indésirables.
- Analyse des fuites et de la dispersion des gaz : dans les installations industrielles présentant un risque de fuite de gaz toxiques, inflammables ou polluants, la simulation CFD permet de prédire la dispersion du nuage de gaz en fonction des conditions environnementales, de la ventilation disponible et des caractéristiques de la fuite. Ce type d’analyse est essentiel pour évaluer les zones à risque, dimensionner les systèmes de détection et de ventilation d’urgence, et garantir le respect des réglementations en matière de sécurité industrielle.
- Systèmes de contrôle des émissions : la simulation CFD permet d’évaluer l’efficacité des systèmes de dilution des gaz polluants ou la bonne répartition des flux de purge, contribuant ainsi au respect des exigences environnementales et de sécurité.
Étude de cas
À titre d’exemple d’application industrielle, nous avons récemment mené, à l’ICEMM, une étude du système d’extraction couplé à un four de fusion de cuivre à l’aide du logiciel Cradle CFD. L’objectif était de valider le fonctionnement de l’extracteur et d’évaluer son influence sur le système, en caractérisant le comportement de l’écoulement par la validation du champ de vitesses, de la distribution de température et de la diffusion des composants gazeux.
L’étude a été réalisée en tenant compte du modèle de mélange des gaz à l’intérieur de l’équipement, ainsi que des sources de chaleur et du module de particules dont la masse est couplée à celle du fluide. Deux configurations géométriques correspondantes ont été analysées en résolvant les équations d’écoulement compressible avec turbulence en régime transitoire.
L’image suivante montre les lignes de courant pour l’une des configurations étudiées, ce qui permet de visualiser la répartition du flux à l’intérieur du système.
