Modélisation de la dispersion des particules algales dans un CAHR en mode diphasique

INTRODUCTION 

Les études hydrodynamiques concernant le CAHR ont contribué à la compréhension d’un certain nombre de paramètres notamment l’état du mélange, la diffusion, la consommation en oxygène ainsi que l’abattement de la matière organique. Lors des expérimentations réalisées, il a été constaté un phénomène de déplacement de nuages de cellules algales en sens inverse de l’écoulement du fluide pendant les moments de forte oxygénation (activité photosynthétique intense vers le midi solaire).

L’idée de se pencher sur cette problématique en considérant un comportement diphasique (phase liquide: eaux usées, phase solide: cellules algales), ne peut que renforcer l’aspect conceptuel de ce type de procédé et qu’améliorer ses performances épuratoires. En effet, ce mode va compliquer d’avantages toutes les considérations et va ignorer toutes les hypothèses simplificatrices qui ont été prises pour la compréhension des mécanismes réactionnels mis en jeu pour la symbiose algues­bactéries en mode monophasique.

Cependant, les écoulements diphasiques font appel à la mécanique des fluides complexe, donc le recours vers la simulation numérique serait d’une grande utilité. Le logiciel utilisé sera ANSYS Fluent, tout en respectant son prospectus, de modélisation, de maillage, de conditions limites ainsi que sa convergence. 

Les résultats obtenus sont prometteurs, sur le plan de la compréhension des différents mécanismes bio­réactionnels en termes d’hydrodynamique et de profil de vitesse de la phase dispersée d’une part, et ouvrent une large brèche dans le domaine de l’algologie du fait de l’utilisation des flagelles, de certaines espèces inhibées par la forte activité photosynthétique, d’autre part.

II. PROFIL DE VITESSE DE LA PHASE FLUIDE

La distribution de vitesse est primordiale dans l’étude. En effet elle traduit le comportement du fluide au sein du chenal. Le fait de visualiser le mouvement du fluide directement in situ ne renseigne pas sur plusieurs aspects de vitesse qui ne peuvent être visualisés qu’à travers des simulations comme celle-ci. La distribution de vitesse se présente alors comme suit :

D’après ces figures il est bien à noter que le fourchettes de vitesse varient entre 0 m/s et 0.15 m/s. À l’issue de ces premiers résultats nous constatons déjà la présence de volumes morts dessinés en bleu. Dans ces zones la vitesse est quasi nulle donc c’est le lieu d’une turbulence importante, c’est une partie perdue du chenal et nous attèlerons à démontrer qu’un changement d’architecture dois s’imposer.

III. PROFIL DE VITESSE DE LA PHASE DISPERSÉE (MICRO-ALGUES)

Lors de la simulation, en utilisant le DPM (Voir Article N° 412) nous avons injecté le maximum de particules que peut supporter la machine en terme de compilation. 

En effet il était possible d’utiliser le mode DDPM qui permet d’injecter toute une fraction volumique de particules mais cette option n’était pas réalisable pour des raisons de capacité de serveur. 

En ce qui concerne les paramètres liés aux micros algues introduits au logiciel on retrouve: 

• La masse volumique est de 1125 kg/m3 

• Un diamètre variant entre 3 µm et 10µm (en fonction des espèces dominantes).

Les présentes valeurs ont étés tirés des caractéristiques de l’algue Chlorella Vulgaris, c’est l’espèce présente dans le chenal, caractérisée par sa robustesse et sa résistance aux changements de saisons de l’année. L’injection des particules se fait dans l’emplacement de la roue d’agitation. 

Comme il est visible dans les différentes captures d’écran la roue d’agitation n’est pas visible. Cette manœuvre est justifiée par la divergence que présente le logiciel lors de la mise en marche de la roue. 

En effet lors du lancement des itérations, les particules entrent en boucle fermée dès qu’elles effectuent le premier tour et atteignent la roue. 

Le logiciel retourne une trajectoire incomplète. Pour pallier à ce problème et vu qu’on travaille en régime permanent on adopte une vitesse moyenne à l’emplacement de la roue de 0.15 m/s comme le montre la figure ci-dessous

D’après cette figure, nous pouvons constater d’ores et déjà que les volumes morts précédemment abordés sont le lieu d’un désordre particulier pour les particules. 

• Dans le premier couloir les particules progressent de façon quasi uniforme avec une vitesse moyenne avoisinant les 0.15 m/s. 

• Dès l’arrivée au premier virage on assiste à une accélération minime, on aurait tendance à penser que c’est la localisation de la vitesse maximale, mais ce n’est pas le cas. C’est l’étape prochaine qui déclenche une variation visible. 

• Après la sortie du virage l’accélération est beaucoup plus visible. Cette accélération est accompagnée par l’apparition d’un volume mort dans lequel les particules restent prisonnières dans cette zone à forte turbulence. Le pic de vitesse des particules est moins élevé que celui de la phase continue. De plus il existe un léger décalage entre les zones d’accélérations du fluide et celles des particules visibles à partir des pics de colorations. 

Ceci peut expliquer le déphasage visible in situ entre les deux phases. Mais pour s’en assurer il faut prendre en considération le mouvement propre des algues. Certaines algues présentent la particularité de se mouvoir avec des flagelles. C’est donc une piste à exploiter à l’avenir en la couplant avec l’approche diphasique pour obtenir le résultat le plus complet possible. Cette simulation peut s’effectuer grâce à un modèle offert par Fluent, sous le nom de PBM (Population Balance Model), lequel modèle permet d’intégrer le paramètre de croissance algale. 

En effet cet aspect pourrait modifier le comportement de l’écoulement des particules ; car dans notre cas on considère que les algues sont encore dans leur phase exponentielle de croissance où la population algale est majoritairement jeune et ne présente pas de faiblesse liée à leurs conditions biologiques. L’effet de la turbulence montre que ces particules tendent à suivre le mouvement général de l’écoulement du fluide. 

Or, en présence des volumes morts pour la phase continu les particules sont entrainés en turbulence accrue, et par conséquent se retrouvent en mouvement tourbillonnaire qui les empêchent de suivre le mouvement d’ensemble. Ils sont emprisonnés dans des vortex et ne participant pas activement à l’écoulement. Ceci pourrait etre expliqué d’une part par la dissipation de l’énergie cinétique et par le taux de dissipation de l’énergie cinétique turbulente d’autre part, comme le montre la figure suivante

Il est donc primordiale de palier à ce problème en proposant une alternative dans le but d’améliorer la qualité du mélange et par la suite l’efficacité du processus épuratoire. Ceci ne pourrait être envisagé sans la maitrise et le suivi du nombre de Reynolds pour la phase discrète; la figure suivante montre l’évolution de ce dernier en remarquant que le nombre de Reynolds varie entre 1.32 et 1.62.10­7. Cependant le calcul de nombre de Stocks pour un faible nombre de Reynolds donne une valeur St = 3.73.10­8 donc les particules répondent directement au changement de la vitesse dans le fluide comme le montre la figure suivante :

IV. CONCLUSION 

L’étude de la dispersion de la suspension algale en mode diphasique a pu montrer une meilleure compréhension de l’hydrodynamique du chenal, en mettant l’accent sur la présence des zones mortes via le profil des vitesses, et une dissipation de l’énergie cinétique turbulente. Ceci se manifeste sur le plan architectural des couloirs et sur la vitesse initiale d’entrainement de la roue d’agitation. 

Nous pensons que cette étude pourrait remédier au problème de la sensibilité du chenal aux variations de vitesse qui influence directement son rendement épuratoire, certes une nouvelle architecture offrirait un certain statu quo nécessaire au bon fonctionnement des processus biologiques. Cette atténuation des volumes morts résident dans la réduction des phénomènes turbulents qui se manifestaient par la présence de courants secondaires. Des études sont menés en parallèle pour optimiser la vitesse d’agitation de la roue en configuration diphasique et fera l’objet d’un prochain article.