Cette étude a montré comment la modélisation CFD peut être utilisée dans les industries de traitement des eaux usées pour prédire l’efficacité d’unités de traitement de grandes dimensions par diffusion de bulles d’ozone. Elle a permis notamment d’optimiser l’hydraulique et de régler les modes opératoires pour assurer une bonne performance de ces unités en termes de transfert de masse pour toute une plage de fonctionnement. La qualité du mécanisme de transfert de masse est examinée à travers le coefficient de transfert entre la phase continue et la phase dispersée, la concentration en oxygène dissous et le taux de gaz dissous. La performance hydraulique des bassins est quant à elle, caractérisée à travers l’analyse de l’organisation de l’écoulement basée sur une lecture de la déformée du champ de vitesse et l’évolution et la distribution du temps de séjour local.
Si l’approche Euler-Euler utilisée pour modéliser l’écoulement gaz – liquide, reste standard, cette étude confirme que la validité du modèle dépend fortement du raffinement, de la qualité du maillage, et de son aptitude à capter les principales structures instationnaires de l’écoulement, éléments moteurs dans l’interaction des deux phases et par conséquent dans la qualité des échanges gaz – liquide. La spécificité de l’écoulement dans les bassins nécessite de prendre en compte dans les forces de traînée la compressibilité du gaz, la contamination, la nature fortement tridimensionnelle de l’écoulement qui peut réduire la mobilité des bulles et l’évolution du diamètre de bulles liée au mécanisme de coalescence et de fragmentation.
Or, La turbulence induite par les bulles est essentielle dans les mécanismes de rupture et de coalescence. La forte instabilité de l’écoulement indique que la force de traînée constitue l’une des composantes dominantes dans le mécanisme de couplage des deux phases. Ce qui permet au travers de ce terme de rendre compte des dynamiques locales Gaz-Liquide dans la conversion de l’énergie perdue par les bulles en énergie turbulente transmise à l’écoulement du fluide. Le modèle mis en place est basé sur une formulation étendue de l’approche TIB (turbulence induite par bulle). La coalescence et le fractionnement des bulles est modélisée à l’aide du modèle MUSIG (MUltiple Size Interaction Group). La combinaison de ces modèles décrit un mécanisme de coalescence cohérent qui empêche la saturation non physique de la plus grande taille du groupe, généralement observée lors de la simulation des panaches de bulles.
L’oxygénation de l’eau par la phase gazeuse est modélisée par un coefficient de transfert basé sur un nombre de Sherwood construit sur les échelles locales des bulles (nombre de Reynolds, diamètre moyen), ce taux de transfert de masse a été également pris en compte dans l’évolution des groupes de taille de bulle.
Ces travaux ont montré l’importance de mailler explicitement les éléments poreux. En effet, une schématisation par un modèle équivalent, basée sur un simple terme de perte de charge, conduit à des solutions quasiment stationnaires dans les bassins, solutions totalement irréalistes par rapport à celles déduites des moyennes statistiques tirées des champs instationnaires. Comme il n’y a pas moins de 98 éléments géométriques qui constituent le milieu poreux, le maillage final est composé de 15 millions de nœuds. 21 équations sont résolues (y compris les équations pour les 9 classes décrivant la distribution de la phase gazeuse dispersée). Le nombre d’éléments du maillage, le nombre d’équations à résoudre, le pas de temps et la fenêtre temporelle minimale à scruter pour assurer une bonne cohérence statistique, conduisent à un modèle de calcul relativement lourd. Pour conserver un temps de calcul raisonnable, une approche combinant un régime pseudo-stationnaire forcé, piloté par l’évolution de l’âge local et une résolution instationnaire a été mise en place.
Les analyses des solutions obtenues pour plusieurs points de fonctionnement : analyse du taux volumétrique de transfert, de la concentration en oxygène dissous et du taux de gaz dissous, soulignent la bonne performance de la station de traitement d’eau.
La distribution des bulles de gaz (holdup) et l’évolution des diamètres des bulles confirment que les structures d’écoulement de la phase continue et de la phase dispersée sont adaptées aux plages de fonctionnement considérées. Enfin, le faible écart-type du transfert de masse et des différents paramètres hydrodynamiques et hydrauliques confirment l’excellente stabilité de l’ensemble du système. Ces résultats ont montré que les outils CFD permettent d’estimer les performances d’un contacteur d’ozone de grande dimension, sous réserves que le modèle soit capable de capter les structures de l’écoulement, en particulier son comportement instationnaire et prennent compte la spécificité de l’écoulement dans les forces d’interactions entre phases. L’extension du modèle TIB, du modèle polydisperse polytrope pour la phase gazeuse et ces calculs ont été réalisés avec les codes de la suite ANSYS sur un cluster HPC Local .
