Résultats

Présentation

Dans cette section, nous allons présenter les différents résultats que nous avons obtenus grâce au programme matlab que vous trouverez en annexe.


Graphes des cas test

Les graphiques qui suivent ont été réalisés en fixant les paramètres d'entrée du système à leurs valeurs de référence. Comme nous l'avons dit précédemment, l'objectif du BEI est de caractériser l'oxygénation du bassin.


figure 1


Le permier graphique représente ainsi l'évolution longitudinale de la concentration en oxygène dans le bassin (cf. figure 1). Sa valeur initiale est zéro car on considère qu'initialement aucune molécule d'oxygène est dissoute dans l'eau. La valeur de la concentration maximale d'oxygène dans l'eau dans le cas de référence est 10.78, elle correspond à la concentration finale d'oxygène. L'évolution longitudinale se fait par paliers qui correspondent aux passages successifs de l'écoulement dans les zones alimentées en oxygène par les grilles de diffuseurs, c'est-à-dire aux pics de taux de gaz (cf. figure 2).


figure 2



L'évolution des taux de gaz et de liquide est liée et représentée ci-dessous (figure 3). On remarque que malgrès le fait que le taux de gaz reste faible, sa valeur maximale étant 2.1%, l'oxygénation est importante. Cela signifie que le tranfert d'oxygène des bulles d'air vers l'eau est très efficace.


figure 3



On visualise par ailleurs l'évolution longitudinale des vitesses verticales de la phase liquide et de la phase gazeuse dans la partie ascendante de l'airlift (figure 4). Lorsque l'écoulement traverse une grille de diffuseurs, il se charge de bulles de gaz qui entraînent le liquide verticalement d'où des pics de vitesse verticale de gaz et de liquide en phase.


figure 4



Présentation des différents paramètres

Nous avons fait varier certains paramètres du problème afin de voir l'influence de chacun sur l'écoulement et le transfert d'oxygène. Les paramètres sont :



Résultats


Variation de la taille de l'airlift (b)

On fait varier la largeur de la section ascendante de l'airlift (b) entre 0 et 3.25m, qui correspond à une partie decendante inexistante. Lorsque b augmente, la vitesse du gaz dans la partie ascendante diminue par conservation du débit. Le taux de gaz dans cette zone doit augmenter car le temps de séjour des bulles d'air augmente. Cependant on observe ci-dessous (figure 5) que le taux de gaz augmente avec b puis diminue. Ceci s'explique car la vitesse d'ascension des bulles étant plus faible lorque b augmente, les bulles mettent plus de temps à parvenir à la surface que l'écoulement à traverser la grille de diffuseurs et la valeur maximale du taux de gaz n'est donc pas atteinte. On observe donc que l'oxygénation est meilleure pour des faibles valeurs de b pour lesquelles le taux de gaz est supérieur (figure 6).



figure 5                                                                figure 6


Variation du débit total (Qg)

On fait ensuite varier le débit total d'une grille de diffuseurs. Le taux de gaz augmente avec le debit (figure 7) et de la même manière la concentration en oxygène augmente (figure 8).



figure 7                                                                 figure 8


Variation des pertes de charge dans l'airlift (xi_airlift)

On souhaite modéliser la recirculation des bulles de gaz dans la partie descendante de l'airlift lorsque la vitesse du liquide dans cette zone est supérieure à la vitesse de glissement des bulles d'air dans l'eau. Ce phénomène implique un temps de séjour des bulles plus grand que l'on modélise par une augmentation des pertes de charge dans l'airlift. Cette augmentation de perte de charge réduit la vitesse de l'eau et donc des bulles dans l'airlift et implique une augmentation du taux de gaz (figure 9). Il en découle une meilleure oxygénation du bassin lorsque l'entrainement des bulles dans la partie descendante de l'airlift est prise en compte.


figure 9


Variation de force générée par un mélangeur (F)

Lorsque la force du mélangeur est faible (F=2000N), la vitesse longitudinale de l'écoulement est faible. Le temps que mettent les bulles à atteindre la surface est alors inférieur à la durée de passage de l'écoulement sur la grille de diffuseurs, et le profil du taux de gaz est trapézoidal (figure 10, tracé rouge). En revanche lorsque la force augmente (F=8000N), la vitesse longitudinale augmente considérablement et le temps que mettent les bulles à atteindre la surface est supérieur à la durée de passage de l'écoulement sur la grille de diffuseurs. Dans ce cas le profil du taux de gaz est triangulaire (figure 11, tracé noir). L'oxygénation qui dépend du taux de gaz et donc de l'aire sous la courbe pour chacune des valeurs de force diminue lorsque la force engendrée par les mélangeurs augmente. Cependant, l'agitation créée par la mélangeurs est nécéssaire et la puissance des mélangeurs ne peut pas être trop faible. Il faut dans ce cas trouver un compromis.



figure 10                                                              figure 11


Variation du rayon des bulles (R)

L'utilisateur peut choisir le rayon des bulles, ce paramètre est difficile à déterminer car il dépend de nombreux critères comme le diamètre des injecteurs, la pression d'injection, le type de membranes... D'autre part, la vitesse des bulles augmente avec leur taille, c'est pourquoi le taux de gaz diminue lorsque le rayon des bulles augmente (figure 12). L'oxygénation est meilleure pour de petites tailles de bulles (figure 13). En revanche, il est plus difficile techniquement de générer des petites tailles de bulles.



figure 12                                                                figure 13


Variation de la hauteur du bassin (h)

La hauteur du bassin intervient dans l'équation de la quantité de mouvement qui détermine les vitesses de gaz et de liquide dans l'airlift. Lorsque la hauteur augmente, on remarque que la vitesse des bulles augmente et parallèlement, la valeur maximale du taux de gaz diminue. D'après la figure 14, le taux de gaz maximal est atteint dans le cas d'une hauteur de bassin de 3m. Pour des hauteurs plus grandes, le taux de gaz maximum n'est pas atteint. Les effets cumulés de la diminution de la vitesse des bulles et du taux de gaz maximum impliquent une diminution du taux de gaz dans le bassin (figure 14).


figure 14

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