Etude bibliographique

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

L’étude bibliographique nous a permis d’établir une synthèse bibliographique sur les principaux résultats obtenus ces vingt dernières années sur la simulation numérique de l’hydrodynamique d’un hydrocyclone. Cette synthèse est motivée par le développement de nouveaux circuits de traitement des sables bitumineux et plus généralement, tous les cas où l'on traite des suspensions contenant 20 à 25% de solide (en volume). En effet, on voudrait prévoir par la voie de la simulation le comportement de ces procédés de séparation solide/liquide dans des conditions d’alimentation en solide concentré. Cette étude bibliographique permet ainsi de montrer que la CFD (Computational Fluid Dynamics) peut apporter de nouveaux éléments utiles au dimensionnement et à l’optimisation du design des hydrocyclones.
 
Les premières simulations numériques, réalisées dans les années 90, concernaient uniquement l'écoulement de la phase porteuse dans une géométrie bidimensionnelle. La structure de l’écoulement issue des simulations restitue l’allure générale du mouvement du fluide dans le corps de l’hydrocyclone. On observe bien le mouvement du fluide en rotation vers la sousverse (écoulement de swirl) et la présence du tourbillon central qui remonte vers la surverse. La géométrie bidimensionnelle axisymétrique a été rapidement délaissée au profit de simulations pleinement tridimensionnelles capables de restituer l’effet de l'asymétrie de l'injection. En effet, la comparaison avec des mesures locales a montré que cette asymétrie persiste dans le coeur de l’écoulement et engendre des instationnarités importantes du tourbillon central. Les simulations en écoulements diphasiques (liquide/solide) sont de deux types selon que l’on s’intéresse à un régime dilué ou dense en particules à séparer. En régime dilué (concentration volumique inférieure à 10%), l'influence des particules sur le mouvement du fluide porteur peut être négligée. Les propriétés de séparation de l’hydrocyclone sont obtenues à partir d’une simulation monophasique de l’écoulement dans lequel on va calculer des trajectoires de particules issues de différentes positions dans la section d’entrée. Dans cette approche, les travaux les plus récents et les plus aboutis sont ceux de Bhaskar et al. (2007a-b).
 
Après une validation du choix du modèle de turbulence, les auteurs ont montré que l’on obtenait un bon accord sur les courbes de séparation lorsque l’on compare simulation et expériences. Le cas du régime dense a été beaucoup moins abordé que le cas dilué. Les modèles empiriques (Plitt et Nageswararao) ne sont pas valides et les expériences de référence sont rares. Dans ce régime, il faut absolument coupler le mouvement des deux phases car les interactions entre le mouvement du fluide et la dispersion des particules solides sont fortes.
On peut citer quelques travaux préliminaires comme ceux de Narashima et al. (2007) ainsi que Brennan et al. (2007). Les perspectives de développement dans ce domaine sont nombreuses tant les problèmes liés à la modélisation numérique, l’interprétation des résultats et la mise en place d’expériences de validation sont encore du domaine de la recherche. 
 
La CFD a obtenu des résultats intéressants et prometteurs mais il reste encore à la faire progresser pour la simulation en régime dense. La modélisation du couplage entre la phase dispersée et la phase porteuse est un point clé de la simulation des hydrocyclones. Cet aspect de la modélisation peut-être abordé en utilisant une approche basée sur la simulation des équations d’un milieu équivalent au mélange fluide/particules ou bien une modélisation issue de la théorie cinétique des milieux granulaires denses. Quel que soit le modèle retenu, ces simulations devront être validées par une série d’expérimentations dans ce régime d’écoulement diphasique dense.