13 févr., 2020

Simulation d'écoulement de pulpe - Modélisation 3D par la dynamique des fluides numériques (CFD)

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  • dynamique des fluides numériques

L’écoulement de pulpe par pompage ou à l’aide de la gravité est une méthode fréquemment employée pour transporter des particules solides dans l’industrie minière et du traitement du minerai. Ce type d’écoulement peut causer une usure importante sur la tuyauterie et les composantes du système selon la composition de la pulpe (grosseur des particules, pourcentage solide, etc.) et le débit qui peut parfois atteindre des valeurs considérables. L’entretien des composantes devient alors primordial pour éviter des défaillances majeures et des arrêts de production. L’objectif de l’ingénieur est de prévoir les zones spécifiques où l’usure sera concentrée, pour contrôler celle-ci et faciliter l’entretien du système. Toutefois, la complexité des caractéristiques de l’écoulement rend très difficile (voire impossible) de prévoir avec exactitude le profil de l’écoulement de la pulpe, sa distribution et le taux d’usure qui pourrait en résulter en utilisant les méthodes empiriques usuelles.

  1. Cet article présente une méthodologie pour simuler l’écoulement de pulpe dans une boîte d’alimentation à partir d’un modèle 3D CFD en utilisant ANSYS CFX. Dans cette configuration, la pulpe entre dans la boîte par le tuyau d’admission par gravité dans la première section dite de sédimentation. Cette section se remplit alors de pulpe et, une fois pleine, se déverse dans la seconde section dite de décharge avant de sortir par le tuyau d’évacuation (voir la figure 1). La configuration de la boîte permet ainsi d’éliminer trois (3) coudes et permet aussi d’éliminer la turbulence dans l’écoulement à la sortie de la boîte. La simulation a principalement pour objet d’assumer un écoulement sans blocage et de prévoir les surfaces où l’usure sera concentrée. Des plaques de revêtements anti-usure sont ajoutées aux endroits critiques, ce qui permettra de réduire les coûts d’entretien et les temps d’arrêt.

  2. Géométrie du modèle et maillage

    • La géométrie du modèle a été créée dans le logiciel SolidWorks, puis importée dans ANSYS.
    • Une technologie de maillage multizone (voir la figure 2) est ensuite employée pour produire un maillage de haute qualité principalement composé d’hexaèdres.
    • L’asymétrie moyenne a été maintenue sous 0,1 (0 étant une symétrie parfaite) et l’orthogonalité moyenne a été maintenue au-dessus de 0,9 (1 étant une orthogonalité parfaite) dans le but d’améliorer la convergence.
  3. Hypothèses du modèle et méthodologie

    Il s’agit d’un modèle eulérien-eulérien comportant trois phases (particules solides, eau et air) définies individuellement avec des champs de vitesse différents :

    • Phase continue d’eau
    • Phase continue d’air
    • Phase dispersée de solides
    • Écoulement et turbulence non homogène pour les trois phases.
    • Chacune des phases est couplée aux deux autres par le frottement interfacial.
    • On emploie un modèle de fluide à seuil en loi de puissance[1] pour la rhéologie de l’écoulement de boue.

    La viscosité de la pulpe est définie comme suit :

    • La viscosité de chaque phase est définie séparément, de sorte que la viscosité du mélange dépend de la corrélation: μ3r3 + μLrL = μM
    • La viscosité de la phase liquide (μL) est celle de l’eau,
    • La viscosité de la phase solide (μ3) est une variable qui dépend de sa fraction volumique.

    Les conditions limites du modèle sont à la fois la vitesse à l’alimentation (par gravité) et la pression à la décharge afin de faciliter la convergence.

    Résultats du modèle

  4. Validation du modèle

    Pour connaître la méthodologie générale de validation du modèle, veuillez-vous reporter à l’article « Application de la dynamique numérique des fluides à la conception axée sur le rendement » [2].

    De plus, la sensibilité de certains paramètres furent étudiés :

    • Cas de 60 % du volume solide (voir la figure 7)
    • Modélisation à deux phases (air et pulpe) avec viscosité équivalente à celle de la pulpe
  5. Conclusion

    La figure 8 montre l’état de la section de décharge de la boîte d’alimentation après 3 mois d’utilisation. Les premières observations indiquent que le profil d’érosion est généralement tel que prévu par le modèle. Une inspection détaillée permettra d’obtenir des données pour valider les résultats du modèle et peaufiner les paramètres d’entrée afin de prévoir avec exactitude l’usure et la sédimentation.

  6. L’étude qui précède présente une technique de modélisation CFD permettant de simuler l’écoulement de pulpe. Cette méthodologie peut fournir des renseignements fiables et détaillés sur les caractéristiques et l’efficacité de l’écoulement. Elle peut être extrêmement utile aux ingénieurs pour valider la conception d’équipements et de tuyauteries de géométries complexes et pour améliorer la durabilité de l’équipement et de la tuyauterie servant au transport de pulpe.

    Références

    [1] Mueller, S., et al, « The Rheology of Suspensions of Solid Particles », Proc. R. Soc. A, 466, pp. 1201-1228, 2010

    [2] Kerem Karakoc, « Application de la dynamique numérique des fluides à la conception axée sur le rendement », Publication BBA, BBA, 2019

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