EC P2-STM1 Compte Rendu de Mécanique Numérique des Fluides Anisothermes ANIZAN Romain PL4 2017-2018 Table des matières I- II- Cyclone ............................................................................................................................................ 2 1) Avec 5% d’air expulsé avec les particules lourdes au fond du syphon ................................... 2 2) Sorties indifférentes ................................................................................................................ 9 3) Première modification : raccourcissement de Cyclone_In de 120mm ................................. 12 4) Seconde modification : allongement de Cyclone_In de 120mm........................................... 13 Echangeur ...................................................................................................................................... 15 1) Echange à co-courant ............................................................................................................ 15 2) Echange à contre-courant ..................................................................................................... 20 Page | 1 Au cours de ce premier semestre d’enseignement du parcours 2, nous avons pu découvrir comment étudier la mécanique numérique des fluides anisothermes à travers les logiciels PTC Creo et StarCCM+ (ainsi qu’au travers du module complémentaire à Creo, StarCreo). Aujourd’hui, il nous est demandé d’effectuer 2 études de cas distinctes. La première concerne un filtre à particule dit Cyclone. Ce dispositif est un dispositif se servant de la force centrifuge afin de séparer les particules solides d’un gaz auquel elles sont mélangées. La seconde étude concerne l’étude thermique d’un Echangeur thermique. Nous nous intéresserons à un refroidissement de l’air par de l’eau. I- Cyclone 1) Avec 5% d’air expulsé avec les particules lourdes au fond du syphon Pression Pression sur les surfaces en contact avec la partie solide Observations : On peut voir une pression assez importante au niveau des bords du cyclone à la même altitude que l’arrivée d’air, puis cette pression décroit lorsque l’on descend dans la pièce. Les pressions de sortie sont très faibles comparées aux pressions d’entrée (entre 2 et 5 fois moins importantes). Il peut être intéressant de voir ce qu’il se passe réellement à l’intérieur du syphon. Page | 2 Pressions sur un plan de normale Z passant pas la centre du cyclone Observations : On peut là aussi, constater que les pressions les plus hautes sont localisées au niveau des parois du cyclone. La partie centrale, quant-à-elle, est très peu soumise à ces pressions, on a même une forme de dépression qui se crée dans la partie haute de cyclone, cette dépression explique « l’aspiration » de l’air par le haut de la pièce. Vitesse Norme de la vitesse passant par un plan de normale Z et par le centre du cyclone Observations : Dans cette étude, les normes des vitesses sont encore les plus importantes dans les mêmes zones que là où on a des concentrations de pression. On peut aussi constater que la dépression dans la partie haute crée une accélération du fluide. Penchons-nous maintenant un peu plus sur la vitesse ascensionnelle du fluide dans le cyclone. Page | 3 Vitesse verticale passant par un plan de normale X et par le centre du cyclone Observation : Sur cette coupe, on voit comment évolue la vitesse ascensionnelle de l’air, on peut donc mieux constater son comportement dans le cyclone. On peut voir que celle-ci contribue beaucoup à la norme des vitesses, c’est certainement la plus importante. On peut aussi remarquer qu’une fois que le fluide est en dessous de la partie intérieure du cyclone (Cyclone_In), l’air est « aspiré » par le phénomène de dépression et longe surtout les bords de cette pièce. La vitesse ascensionnelle est naturellement importante au niveau de la zone de dépression. Vecteurs vitesse sur ces mêmes plans Page | 4 Observations Ces 2 simulations nous permettent de constater comment s’oriente l’air au sein du cyclone, on peut par exemple constater qu’après l’entrée, l’air est entrainé en rotation par la forme du cyclone puis qu’il remonte bien dans la pièce intérieure. On peut aussi essayer de caractériser la sortie du fluide grâce à ces vecteurs vistesse. Vecteurs vitesse en sortie basse Page | 5 Vecteurs vitesse en sortie haute Observations : On peut naturellement constater que les vitesses de sorties sont plus importantes en sortie haute qu’en basse. En ce qui concerne la localisation des vitesses les plus importantes, pour la sortie basse, on les a le long des parois, on comprend bien que la forme du cyclone qui contribue à orienter le fluide dans cette zone vers les parois. Les vitesses importantes dans la partie haute sont quant-àelles, regroupées vers le centre. Tracé de la vitesse verticale le long d’un axe vertical passant par le centre du cyclone Observations : On peut observer 2 pics de vitesse distinct : le premier se situe au niveau de la pièce intérieure (environ 50mm en dessous) on a ensuite une décélération liée à la dépression qui contre les vitesses initiales qui sont liées au débit d’entrée. Ensuite, on a une forte croissance une fois que l’air est dans la partie Cyclone_In. La décélération de la fin est liée au fait que les valeurs relevées vont de plus en plus vers la paroi qui n’est pas non plus dans le sens d’écoulement du fluide. (on a aussi constaté précédemment que dans cette zone les vitesses les plus importantes sont localisées vers le centre des conduits. Page | 6 Vitesse ascensionnelle maximale Observations : Comme on peut le voir, la vitesse ascensionnelle dans le domaine est d’environ 2,9 m/s, On est légèrement au-dessus des résultats du tracé précédent. On peut donc se demander où la vitesse ascensionnelle est la plus importante. Il est possible de repérer cela grâce à la mise en place de lignes de courant. Vitesse tangentielle maximale atteinte dans le domaine Remarques : Une autre fonction vitesse tangentielle existe aussi sur starccm+ mais n’ayant pas totalement compris comment elle fonctionnait, j’ai pris les fonctions ci-dessus. Les résultats ne sont pas totalement justes, pour qu’ils le soient il aurait fallu se placer dans un repère en coordonnées cylindriques afin d’obtenir les bons résultats. Page | 7 Lignes de courant Lignes de courant de l’air dans le cyclone Observations : On peut voir que la zone où la vitesse est la plus importante n’était pas balayée par notre axe. On peut aussi remarquer la manière dont se propage notre fluide dans cette enceinte (une vidéo est disponible dans le dossier lié à ce rapport). On constate encore bien l’effet de la dépression sur notre fluide. Débit massique Débits massiques d’entrée et de sortie Entrée Sortie haute Sortie basse Commentaires : Il n’y a pas de réelle surprise à la vue de ces résultats, ils sont bien ceux que l’on avait imposés initialement. Il peut être intéressant d’étudier ces mêmes résultats pour un même système mais avec des conditions aux limites plus libres. Page | 8 2) Sorties indifférentes Pression Pressions sur un plan de normale Z passant pas la centre du cyclone Les pressions sont moins grandes dans cette nouvelle situation et on peut observer un phénomène de dépression au niveau de la sortie basse aussi. Vitesse Norme de la vitesse passant par un plan de normale Z et par le centre du cyclone Il n’y a plus la baisse significative de vitesse quand on s’approche de la sortie du bas, on pourra surement observer des débits plus similaires Vecteurs vitesse en sortie basse Vecteurs vitesse en sortie haute Page | 9 Au niveau des sorties, le fluide n’a pas du tout le même écoulement que dans le cas précédent, on a les vitesses les plus importantes au plus proche des parois, au centre les vitesses sont plus faibles (2 fois environ). Les vitesses pour ces 2 sorties sont plus similaires (les vitesses moyennes le sont peutêtre moins). Tracé de la vitesse verticale le long d’un axe vertical passant par le centre du cyclone Cette vitesse, en vue des autres paramètres, est logiquement moins importante au niveau de ses pics, mais ils sont toujours localisés dans les mêmes zones. La vitesse négative (sortie basse) est aussi bien plus importante que précédemment. Vitesse ascensionnelle maximale Vitesse tangentielle maximale atteinte dans le domaine Page | 10 Naturellement, la vitesse ascensionnelle maximale est elle aussi réduite. On peut aussi remarquer que la vitesse tangentielle est réduite. Cela vient surement aussi du « changement d’équilibre des pressions ». Lignes de courant Lignes de courant de l’air dans le cyclone On remarque que les lignes de courant vont bien plus vers la sortie du bas que dans le cas précédent, elles sont bien plus uniformément réparties dans le cyclone. Débit massique Débits massiques d’entrée et de sortie Entrée Sortie haute Sortie basse Page | 11 On peut constater que les débits massiques de sortie sont plus équilibrés qu’auparavant, on a les 1 3 4 qui ressortent par la sortie haute et 4 qui ressort par la sortie basse. On est en réalité, en laissant ce système libre, à 25% d’air perdu en même temps que les particules lourdes. D’une première observation, il conviendrait mieux de rallonger la partie intérieure du cyclone pour qu’il soit plus efficace. En effet, cela paraitrait logique car cela permettrait d’aspirer l’air vers le haut le plus tard possible, lui permettant de faire le plus de spirales possible dans le cyclone, lui permettant ainsi de se séparer le plus possible des autres particules. Cet allongement ne doit néanmoins pas être trop important à cause des pertes de charges qui y sont liées. En effet, il faudrait utiliser des éléments trop puissants pour que cela soit rentable pour un certain niveau de pertes de charges. Dans un premier temps regardons de plus près l’impact d’un raccourcissement du Cyclone_In. Nous regarderons ensuite si l’allongement de cette partie à un meilleur impact ou non. 3) Première modification : raccourcissement de Cyclone_In de 120mm Pressions au niveau de la paroi Pressions sur le plan de normale Z Lignes de courant dans le cyclone Page | 12 Dans ce cas-là, on a une pression maximale moins importante que dans notre premier cas et la dépression est plus importante, on aura donc une aspiration de l’air vers le haut plus rapide, comme on peut le voir avec les lignes de courant. On peut donc en déduire que l’air n’effectuera pas trop de spirales dans cette configuration-là. A priori, ce cyclone sera déjà moins performant que le premier. 4) Seconde modification : allongement de Cyclone_In de 120mm Pressions au niveau de la paroi Pressions sur le plan de normale Z Lignes de courant dans le cyclone Page | 13 Sur ce nouveau modèle, on peut voir que la pression maximale est un peu moins importante et qu’il n’y a plus de dépression. L’air met donc, logiquement, plus de temps à être évacué. On peut remarquer avec les lignes de courants que celui-ci effectue un grand nombre de spirales et a donc le temps de bien évacuer les particules lourdes qu’il contient. Cette solution sera donc la plus adaptée. On pourrait aussi choisir d’optimiser cette longueur afin de ne pas avoir besoin de moyens trop importants afin d’assurer cette répartition des débits de sortie. Page | 14 II- Echangeur 1) Echange à co-courant Température Température sur les surfaces extérieures en acier Température sur le plan de symétrie à travers tous les éléments Température sur le plan de symétrie à travers l’eau et le cuivre On peut imaginer une certaine trajectoire de l’air grâce à cette répartition de la température à l’extérieur du Tank. A priori on a un refroidissement de l’ordre de 30°C, soit un passage de 93°C à 60°C. La seconde figure nous indique encore plus le chemin parcouru par l’air dans cette enceinte et ainsi, comment il est refroidi pas les tubes en cuivre et l’eau. A priori, la température en sortie sera surement plus importante que ce que l’on pouvait penser en regardant la capture précédente. La température de l’eau, quant-à-elle, reste à priori inchangée (ou presque) dans ce montage. Page | 15 Si on regarde de plus près ce qu’il se passe au niveau des éléments refroidissant, on peut voir qu’il y a surtout la partie basse proche de l’entrée (en haut à gauche sur cette capture) qui est soumise à des légères fluctuations. Le débit et la surface d’échange sont tels que les éléments froids ne sont que très peu affectés. Analysons maintenant un peu plus ce qu’il se passe en sortie. Température moyenne de l’air en sortie Température moyenne de l’air en sortie En °C, cela donne environ 70°C en sortie pour l’air et 4°C pour l’eau. Comme nous pouvions le voir sur les captures précédentes, l’eau n’est presque pas affectée et on a une différence de température de 23°C sur l’air entre son entrée et sa sortie. Vitesse Norme des vitesses sur le plan de symétrie Vecteurs vitesse dans des plans parallèles au plan précédent Plan (40,0,0) Page | 16 Plan (-30,0,0) Plan (0,0,0) On peut dans un premier temps noter un problème dans notre simulation, la vitesse de l’eau augmente de façon anormale. Le reste de la simulation peut donc être aussi erroné. On peut remarquer ici aussi, la trajectoire de l’air dans ce circuit. On peut constater que celui-ci n’est pas en contact avec beaucoup d’éléments de refroidissement. On aura à priori une pression uniforme à en juger par ces vitesses : l’air à l’air de s’évacuer aussi vite qu’il rentre. On peut vérifier cela en regardant les débits. Débits d’entrée et de sortie de l’air Entrée Débits d’entrée et de sortie de l’eau Entrée Sortie Sortie On a bien conservation des débits, aucun de ces fluides ne se comprime. Page | 17 Pression Répartition de la pression dans les fluides Le comportement de l’eau est assez aléatoire, la simulation semble avoir mal géré cette région. Concernant l’air, On peut comme on pouvait en faire l’hypothèse avant, voir que celle-ci est uniforme dans toute l’enceinte. Page | 18 Lignes de courant Lignes de courant des 2 fluides On peut constater les principales trajectoires prises par l’air grâce aux figures ci-dessus. Comme on pouvait le voir sur les figures précédentes, on peut voir que le refroidissement a lieu principalement sur une seule et même zone de l’échangeur : lorsque l’air touche la paroi d’en face il se sépare en 2 parties : la première continue vers la sortie et n’est refroidie que par les tubes du bas tandis que la seconde partie refait un cycle dans l’enceinte avant de suivre le reste de l’air vers la sortie. Une partie sera ainsi bien plus refroidie que l’autre en sortie, on ne sera pas uniforme du tout. On peut maintenant caractériser les performances de l’échangeur en calculant son efficacité. Efficacité de l’échangeur Il est possible de la calculer à l’aide de la formule suivante : Ainsi, pour notre échangeur, on obtient : 𝜀 = 0,26 Page | 19 2) Echange à contre-courant Nous allons ici, seulement nous baser sur l’efficacité de celui-ci afin de calculer ses performances. Nous avons pu récupérer les valeurs suivantes : Température de l’air en sortie Température de l’eau en sortie D’où pour cette échangeur une efficacité de : 𝜀 = 0,28 L’échangeur suivant n’est donc pas très performant pour refroidir de l’air, il n’est pas très efficace, que ce soit à co-courant ou à contre-courant, même s’il reste plus judicieux de l’utiliser en contre-courant en vue de nos valeurs. Page | 20
