Décanteur lamellaire

La modélisation des écoulements liquide –solide à surface libre se situe aussi au niveau de la complexité des configurations géométriques rencontrées, de la variation de la forme du lit, de la rugosité du fond ; ces flux sont généralement tridimensionnels et instationnaires.

La difficulté numérique augmente avec la présence de la turbulence et les obstacles comme par exemple le cas d’un décanteur lamellaire, qui se caractérise par un nombre important d’obstacles, et des eaux chargés localement avec des solides.

Comprendre l'effet d'un obstacle ou de plusieurs obstacles sur l'écoulement turbulent est un sujet longuement étudié par exemple (Lamb 1989 [95] et F. Dias [45]) ont développé un grand nombre d'analyses numériques qui avaient pour objectif de déterminer le comportement hydrodynamique de l’écoulement turbulent sans prendre en considération la présence des particules solides dans les écoulements à surface libre avec des obstacles.

La prédiction de la distribution des particules solides dans les écoulements turbulents à surface libre autour des obstacles est une étude intéressante en raison de son application dans les problèmes environnementaux. Dans ce contexte, Buil [27] a utilisé le logiciel CFX pour décrire le transport et le déplacement des polluants dans un canal rectangulaire avec et sans obstacle. Le code a été validé expérimentalement en utilisant les mesures de hauteur d'eau. Cependant, les concentrations des particules solides obtenues par simulation dans différentes sections d'écoulement n'ont pas été comparées aux données expérimentales.

La présence des obstacles dans les écoulements turbulents améliore la chute des solides des écoulements chargés avec des polluants ([3], [159]).Ces écoulements peuvent être utilisés comme flux prototypiques pour mener des recherches fondamentales sur les écoulements de cisaillement turbulents complexes et pour étudier les effets des déformations supplémentaires produites par les régions de séparation sur les caractéristiques d'écoulement. Compte tenu de leur importance pratique, les écoulements turbulents induits par la géométrie ont été assez largement étudiés. Dans ce contexte, Agelinchaab et Tachie [3] ont utilisé la vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) pour étudier les écoulements turbulents dans un canal découvert avec des obstacles. Ils décrivent les régions de recirculation et de recollement produites derrière les obstacles et démontrent que le flux moyen est rapidement réorganisé et dépend fortement de la géométrie des obstacles.

Une étude expérimentale et numérique dans les écoulements turbulents à surface libre, avec présence d'obstacles, est présentée par Brevis et al. [25], les résultats montrent que l'effet

33 des obstacles dans le canal est observé dans le sens de l'envergure. L'écoulement moyen à l'intérieur de cette zone est caractérisé par une grande région de recirculation et plusieurs systèmes de vortex supplémentaires.

Dans leur article en 2017 Sonia Ben Hamza et al [16] ont présenté un modèle hydrodynamique prédictif afin d’étudier le phénomène de dispersion des particules solides fines injecté sur une surface libre autour d'un obstacle verticale. L'interface air / eau a été modélisée à l'aide de l’approche du volume de fluide (VOF). Le suivi lagrangien des particules individuelles a été effectué, et le transport particulaire ainsi que liquide et le dépôt de diverses tailles de particules, la densité et la vitesse dans le canal ont été analysés. Le modèle de turbulence standard k-ε a été choisi pour cette simulation. Ils ont trouvé que les grosses particules de masse volumique 1600 kg / m³et de diamètre supérieur à 70 mm pour une vitesse de 2 m /s sont déposées autour de l'obstacle et près de fin seuil du canal, tandis que les particules de très petite taille (inférieures à 5 mm) restent en suspension dans le flux et arrivent à la sortie du canal sans aucun taux de dépôt. ). Leurs résultats numériques concordent bien avec les données expérimentales.

Les obstacles parallèles inclinés sont un sujet classique avec une longue histoire, et Boycott [21] a été le premier qui a observé que la vitesse de sédimentation est meilleure si le

tube est incliné que lorsqu'il est vertical quel que soit la taille de la particule.

Le décanteur lamellaire est un ouvrage qui se caractérise par la présence d’un nombre important des obstacles parallèles inclinées et l’un des procédés que l’on peut mettre en œuvre pour séparer la pollution véhiculée dans les eaux de ruissellement. Les décanteurs lamellaires présentent l’avantage d’être à la fois des ouvrages compacts comparativement aux bassins de retenues, mais également, d’offrir des performances élevées du fait de leur surface de décantation très étendue. L’optimisation de leur fonctionnement hydraulique devrait permettre d’obtenir un écoulement homogène sur toute la surface de décantation.

Il existe très peu d'études théoriques sur les colons lamellaires Demir [43] a utilisé des résultats expérimentaux obtenus pour des formes géométriques différentes et des angles de plaques variables pour dimensionner les bassins de décantation.

Lekang et al.[102] ont présenté une évaluation du bassin de décantation lamellaire en utilisant une étude expérimentale pour mesurer les débits de l'eau d'entrée et de sortie du bassin de sédimentation .Kowalski et Mięso [91] ont présenté la conception de réservoirs de sédimentation et d'installations utilisant l'effet Boycott. Doroodchi et al [49] ont étudié

34 l'influence des plaques inclinées sur le comportement des suspensions dans des lits fluidisés liquides. Sarkar et al. [145] ont étudié les performances des décanteurs à plaques inclinées pour les déchets aquacoles. Rubescu et al [141] ont présenté une étude théorique concernant la conception du décanteur secondaire lamellaire. Galvin et al [61] examine la séparation par gravité en utilisant des canaux inclinés étroitement espacés. Okoth et al [125] ont résumé les facteurs qui ont un effet sur l'efficacité de séparation des plaques parallèles inclinées, et ils ont modélisé phénoménologiquement l'interaction suspension-eau.

Jusqu'à présent, de nombreux chercheurs ont utilisé des simulations CFD pour étudier l'écoulement de l'eau et l'élimination des solides dans les bassins de décantation pour le traitement des eaux usées. Cependant, il n'y a pas beaucoup de travaux dans la littérature sur la modélisation CFD des décanteurs lamellaires pour le traitement des eaux de ruissèlement en tenant compte de la présence de deux phases la phases liquides et la phase particulaire

De plus, selon les meilleures connaissances des auteurs [160] l’étude de l'ensemble du bassin de sédimentation avec un système à grande échelle de colons parallèles inclinés et la prise en compte des deux phases n'a jamais été étudiée auparavant. Contrairement à la plupart des études CFD antérieures qui étudiaient les plaques lamellaires séparément et isolément, ou le système complet mais seulement le cas monophasique [115], [82].

Le premier travail qui modélise l'ensemble du système de sédimentation dans un décanteur lamellaire est présenté en 2014 par Roza Tarpagkou et Asterios Pantokratoras [160]. Ils ont utilisés un modèle numérique pour simuler la dynamique en 2D et la structure d'écoulement d'un bassin de sédimentation rectangulaire pour l'eau potable à travers une approche multiphasique. Ils sont utilisés les méthodes de calcul dynamique des fluides (CFD). Ils ont examinés deux configurations un système avec des obstacles parallèles inclinés (décanteurs lamellaires) et l'autre un bassin sans obstacle, afin d'évaluer l'influence des obstacles inclinés sur l'efficacité du procédé, leur approche numérique étudie l'ensemble de la cuve de sédimentation avec un système à grande échelle de plaques parallèles inclinées. L'échange de quantité de mouvement entre la phase primaire et la phase secondaire (particules) est pris en compte, utilisant une méthode lagrangienne (modèle à phase discrète) avec des calculs couplés dans les deux sens, Le modèle de turbulence k-ε –RNG a été choisi pour cette simulation. Les résultats montrent que les colons lamellaires influencent le champ d'écoulement et augmentent l'efficacité de la sédimentation de 20% par rapport à la conception sans obstacle.

35 L'objectif principal de notre étude est d'étudier le comportement hydrodynamique 3D des écoulements chargés avec des particules solides dans les ouvrages d’assainissement sans et avec des obstacles en utilisant un couplage bidirectionnelle (two way coupling) entre l’approche Lagrangienne (modèle à phase discrète) et l’approche Eulérienne. Par conséquent il est très important de donner un rappel bibliographique sur les caractéristiques des solides simulés ainsi que les approches de modélisation du mouvement turbulent des particules solides dans un fluide.