Données expérimentales

Pour valider les simulations avec le code FLUENT et tester la fiabilité des modèles de turbulence, nous avons choisi quelques simulations détaillées ou expériences du litterature pour la comparaison avec nos simulations numériques au même titre que les travaux réalisés par le doctorant avec le code NEPTUNE_CFD. Cela exige la récuperation complète d'informations sur la géométrie de cyclone, sur les paramètres physiques et sur les simulations numériques.

Pour cela nous avons choisi de prendre les données issues des articles de Hsieh et Rajamani (1991) et Narasimha (2005). 

 

Données de Hsieh et Rajamani

Données de Hsieh et Rajamani

Le travail de Hsieh et Rajamani,qui est souvent cité comme une référence pour bon nombre d'études,nous a permis de prendre en compte les résultats présentés dans cet article.

Présentation

Ces auteurs donnent quelques détails du modèle numérique à simuler (les dimensions du hydrocyclone et les caractéristiques d'alimentation). Les résultats présentés sont les profils de vitesse et la courbe de partage.

Pour limiter les effets d'une augmentation de la viscosité de l'effluent à traiter en raison de la présence de particules solides dans la suspension, la glycérine a été ajoutée à l'eau.

Dans leur géométrie, le point origine est pris au centre du corps du cyclone et en haut de celui-ci comme le montre le schéma suivant.

Schéma hydrocyclone avec l’axe des ordonnées

 

Cyclone diameter

75

mm

Inlet diameter

25

mm

Spigot diameter

25

mm

Underflow diameter

12,5

mm

Length of the spigot

50

mm

Length of the cylindrical part

75

mm

Cone angle

20

°

Données de géométrie de l’hydrocyclone

Les profils de vitesses axiales et radiales dans l’hydrocyclone ont été réalisés. Ces courbes sont réalisées dans les plans situés à 60 mm du plan contenant le point origine.

Ces plans ont été obtenus en respectant la disposition suivante :

Coupe hydrocyclone

Profil de vitesse axiale dans le plan 180 – 0 ° pour la série N° 1

Profil de vitesse axiale dans le plan 270 – 90 ° pour la série N° 1

Profil de vitesse tangentielle dans le plan 180 – 0 ° pour la série N° 1

Ces auteurs ont réalisés d’autres expériences avec de l’eau moins chargées en particules solides et les courbes répartitions de particules dans lasousverse en fonction de leur diamètre ont été établies. Les particules solides sont de type sable avec une masse volumique de 2650 kg/m3.Les deux courbes en rouge et en bleu représentent respectivement ces courbes de partitions pour les séries 7 et 8.

Dans leur analyse numérique, les simulations étaient bidimensionnelles et le domaine de travail avait été réduit à une section 2D axisymétrique du cyclone. Les auteurs ont assumé que l'entrée de l'effluent était parfaitement symétrique et située sur la paroi extérieure de la partie cylindrique du cyclone.

Pour les conditions limites de sortie, il n'y a pas de gradient à la surverse et la sousverse. On  note que le cœur gazeux est représenté comme un tube cylindrique dont le diamètre vaut 85 à 88 % du diamètre de sortie à la sousverse.

Le modèle de turbulence choisi prend en compte les effets de la présence de particules solides, la viscosité de la suspension dépend de la concentration en solide et la viscosité turbulente dépend des propriétés physiques du mélange.

Simulation du cas de référence

Les premières simulations ont mis en évidence la présence d’un mur mince sur le tube de sortie vers la surverse (spigot). En effet initialement, son absence a eu pour conséquences les écarts très significatifs sur les résultats et les simulations étaient réalisées en 2D axisymétrique pour la comparaison aux résultats expérimentaux.

 

 


 

Données de Narasimha et al.

 

Données de Narasimha et al.

Les simulations réalisées par ces auteurs ont été un peu plus complètes car la géométrie utilisé était 3D.

Présentation

Dans cet article, Narasimha et al. étudient  expérimentalement et numériquement l’hydrodynamique et les performances de séparation dansl’hydrocyclone pour différents diamètres de souverse.

Il y’a plusieurs  détails dans leurs articles, la géométrie du cyclone (le Tableau 1), les comparaisons d'expériences / des simulations (Tableaux 2 et 3), le modèle de turbulence utilisé (k - epsilon) et les courbes de partage.

Les simulations ont été réalisé sous Fluent et la géométrie générée sous GAMBIT (voir figure1).

Le liquide d'alimentation est de l'eau (masse volumique 1000 kg.m-3) avec 1.6 % en masse de sable (masse volumique =2650 kg.m-3).On note la présence d'un cœur gazeux au centre du cyclone (figure). Ce cœur gazeux n'a pas été simulé numériquement comme une interface gaz-liquide, mais correspond à une région de forte dépression et de très faible vitesse (composante tangentielle faible).

Le résultat principal présenté dans cet article est l'influence de la vitesse d’entrée et du diamètre de sousverse. Les tableaux suivants présentent une comparaison entre des résultats expérimentaux et numériques sur les courbes de séparation pour deux vitesses d'admission différentes et deux configurations géométriques.

Dimensions

Cyclone n_1

Cyclone n_2

Cyclone diameter (mm)

101

101

Inlet (mm)

25 × 12.5

25 × 12.5

Overflow diameter (mm)

35

35

Underflow diameter (mm)

10

20

Length of the overflow tube (mm)

50

50

Height of the cylndrical part (mm)

85

85

Cone angle (°)

20

20

Tableau 1 : Hydrocyclones dimensions.

Test

n_

Numerical results

Experimental results

Deviation

 

Inlet

Velocity

m.s1

Inlet

Flow-rate

kg.s1

Overflow

Flow-rate

kg.s1

Water

Split

%

Inlet

Flow-rate

kg.s1

Overflow

Flow-rate

kg.s1

Water

Split

%

Water

Split

%

1

6.10

1.903

1.876

98.58

1.896

1.865

98.36

-0.22

2

9.50

2.963

2.934

99.02

2.966

2.940

99.12

0.10

3

11.35

3.540

3.512

99.21

3.868

3.850

99.53

0.32

4

12.35

3.850

3.820

99.22

3.868

3.850

99.53

0.31

5

10.70

3.337

3.309

99.16

3.378

3.325

98.43

-0.73

6

8.25

2.574

2.544

98.83

2.604

2.563

98.42

-0.41

7

5.91

1.844

1.816

98.48

1.937

1.894

97.78

-0.70

Tableau 2 : Comparisons between experimental and numerical water split with a 10mm underflow (From Narashima et al.).

Test

n_

Numerical results

 

Experimental results

Deviation

Inlet

Velocity

m.s1

Inlet

Flow-rate

kg.s1

Overflow

Flow-rate

kg.s1

Water

Split

%

Inlet

Flow-rate

kg.s1

Overflow

Flow-rate

kg.s1

Water

Split

%

Water

Split

%

1

7.05

2.200

1.865

85.68

2.201

1.840

83.60

-2.08

2

7.40

2.308

1.969

85.31

2.305

1.920

83.30

-2.01

3

9.40

2.932

2.585

88.17

2.941

2.550

86.71

-1.46

4

11.03

3.441

2.955

85.87

3.480

3.036

87.24

1.37

5

11.40

3.556

3.201

90.01

3.565

3.14

88.08

-1.93

6

10.73

3.347

2.743

81.95

3.513

2.967

84.45

2.49

7

5.95

1.856

1.417

76.34

1.948

1.543

79.21

2.87

Tableau 3 : Comparisons between experimental and numerical water split with a 20mm underflow (From Narashima et al.).

Figure 1 : Narasimha et al. Mesh and experimental cyclone.

Separation curves with the 10mm underflow (from Narashima et al.).

Separation curves with the 20mm underflow (from Narashima et al.).