Etude préliminaire sans diffuseur

Suite à l'étude théorique, nous avons une estimation de la hauteur maximale que les effluents sont susceptibles d'atteindre dans l'océan. Avant de poursuivre notre étude du diffuseur et de la dispersion des effluents au travers de ce dernier, nous allons étudier le cas 'simple' où l'émissaire relargue directement le liquide transporté dans le milieu naturel, sans l'utilisation du diffuseur.

 

1. Le domaine de l'étude

 

Comme nous avons pu le dire en introduction, ayant connaissance de l'altitude maximale d'injection des effluents dans l'océan, nous allons pouvoir réduire de façon significative la taille du domaine, notamment en hauteur. En effet, au lieu de prendre en considération une 'boîte' (qui est la représentation sous forme de parallélépipède rectangle du milieu de l'océan constitué d'eau salée) d'une hauteur de 60m, dans le cas présent, nous allons nous restreindre à une hauteur de 6m.

 

 

Figure 2: Représentation du domaine d'étude.

 

La figure 2 représente le domaine d'étude que nous allons considérer lors de cette étape préliminaire. Nous pouvons voir apparaître le milieu océanique, représenté par un parallélépipède rectangle, ainsi que l'émissaire, représenté par une structure cylindrique.

 

2. Le maillage du domaine

 

Le domaine de l'étude étant défini, nous allons pouvoir réaliser le maillage au moyen du logiciel ICEM-CFD.

Le maillage peut être vu comme une simple étape de transition, qui permet juste d'accéder au calcul. Cependant, cette étape se révèle d'une importance primordiale pour la résolution des problèmes numériques, et pour la qualité des résultats. Dans un projet, l'aspect CFD représente coût horaire important, qu'il ne faut en aucun cas baclé. Ainsi, nous avons fait le choix d'utiliser un logiciel dédié intégralement au maillage. Ce logiciel permet en effet de gérer les paramètres du maillage dans son intégralité. Pour nous simplifier cette étape de maillage, nous aurions pu utiliser directement le logiciel starccm+. Cependant, ce logiciel, initialement conçu pour réaliser les simulations numérique, ne permet pas de gérer tous les paramètres du maillage. De plus, le maillage sous Starccm+ est de type hexagonal non cartésien, ce qui peut avoir des répercussions en terme de temps de calcul.

 

a)

b)

Figure 3: Représentation du maillage

3-a) dans son ensemble

3-b) en réalisant un zoom sur la sortie de l'émissaire

 

Les figures 3 représentent le maillage du domaine. Nous pouvons remarqué que le cylindre est maillé de manière plus raffiné, dans le but de prendre en compte les phénomènes de turbulence dans l'émissaire et à la sortie de celui-ci. De plus, le maillage étant structuré, le cylindre est maillé avec un Ogrid, qui permet une bonne résolution numérique. De plus, la paroi du cylindre, visible sur la figure 3-b, n'est pas maillée. en effet, seul le domaine fluide est maillé. Afin d'obtenir un écoulement correct au niveau de la paroi, la hauteur de la première maille est déterminée grâce au calcul du y+.

Ce calcul est développé en annexe 2.

 

3. Le modèle et les conditions aux limites

 

Il nous reste alors à mettre en place le modèle et les conditions aux limites représentatives du milieu, au moyen du logiciel StarCCM+. En ce qui concerne le modèle, il est défini de la manière suivante:

  • three dimensional (ou two dimensional selon le cas),
  • stationary,
  • implicit unsteady (puis steady, une fois que les conditions initiales sont établies),
  • multi-components liquid,
  • no-reacted,
  • segregated flow,
  • turbulent (modèle K-epsilon),
  • constant density,
  • gravity.

 

Le modèle étant paramétré, nous pouvons nous concentrer sur les conditions limites. 

Figure 4: Représentation des conditions limites du modèle.

 

Sur la figure 4 sont représentées les conditions aux limites du modèle numérique mis en place. Ces conditions sont les suivantes:

  • en entrée de l'émissaire, nous imposons une vitesse ('velocity inlet') de 1,7405m.s-1 (qui est la vitesse équivalente à un débit de 2250m3/heure dans l'émissaire),
  • au niveau du sol (appelé paroi sur la figure 4), nous mettons en place un mur ('wall'),

  • sur chacune des autres faces (sur lesquelles est écrit le mot pression), représentant des frontières liquides, sont imposées des conditions de pression ('pressure outlet'). La pression hydrostatique est introduite à l'aide de tables sur les faces verticales de la géométrie, et une pression constante est imposée sur la face horizontale supérieure. 

 

4. Résultats et interprétations

 

Nous possédons alors toutes les données nécessaires pour lancer notre simulation. Les calculs, effectués au moyen du logiciel StarCCM+, donnent les résultats exposés ci-après.

Figure 5: Coupe horizontale de la fraction massique en effluents à la sortie de l'émissaire à x=0.35 m.

Figure 6: Coupe verticale de la fraction massique en effluents à la sortie de l'émissaire (suivant l'axe de symétrie selon y)

 

Sur les figures 5 et 6 présentées précédemment, nous pouvons observer une coupe horizontale et une coupe verticale de la fraction massique en effluents se propageant dans le milieu, à la sortie de l'émissaire. Le rectangle rouge représente l'émissaire, déversant les effluents dans le milieu constitué de l'eau salé de l'océan. Nous pouvons voir la  répartition de la fraction massique en effluents au sein de l'océan. Dans le cas présent, aucun effet de dilution n'est proposé, et les effluents restent fortement concentrés au fond de l'océan sur un zone importante. Ainsi, à la sortie de l'émissaire, nous rencontrons une fraction massique très importante des effluents (plus de 0,5) dans une zone de près de 10m de long et de 4m de large. Cette zone représente une part relativement conséquente du milieu. Par ailleurs, une zone de faible concentration se propagent également au-delà de 20m après la sortie de l'émissaire et sur une largeur de plus de 10m. En effet, sur une position plus éloignée de la sortie, nous pouvons constater que la fraction massique des effluents est assez faible (moins de 0,4), mais reste toutefois très étalée. Par conséquent, une partie très importante du milieu se trouve touché par l'arrivée des effluents.

Nous pouvons également remarquer que les effluents sont concentrés vers le fond de l'océan. En effet, ils ne dépassent pas la hauteur de 1m au dessus du fond marin. Ceci peut être expliqué par le fait que la masse volumique des effluents est 35% plus importante que la masse volumique de l'eau salée du milieu, ce qui entraîne une déposition des effluents vers le fond. De plus, les effluents ne possèdent aucune vitesse verticale, ce qui ne fait qu'augmenter le courant de gravité. Ainsi, la vitesse d'injection des effluents tend à propager les effluents sur le fond des océans, et ne favorisent en aucun cas sa dispersion. Ce mode de déversement n'est donc pas acceptable pour le projet. Il est nécessaire de rajouter un diffuseur qui permet d'augmenter la dispersion des effluents, et ainsi de réduire la zone à fortes fractions massiques en effluents.

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