Equipements industriels

Modélisation CFD pour les équipements industriels

L’optimisation des équipements industriels est un enjeu clé pour les entreprises, afin d’améliorer leurs performances ou la qualité des produits ou de réduire les coûts de production. La mécanique des fluides numérique (CFD) est une solution incontournable pour modéliser les écoulements de fluides, les transferts thermiques et les interactions complexes dans les processus industriels. Grâce à la simulation CFD, les entreprises peuvent optimiser la conception et l’efficacité de leurs équipements tout en limitant les nombres d’essais et de prototype nécessaires à leur développement.

Voici les principales applications de la simulation CFD pour les équipements industriels.

Echangeurs thermiques

• Optimisation géométrique: Les échangeurs thermiques sont cruciaux pour le refroidissement, le chauffage et la récupération d’énergie dans les processus industriels. La simulation CFD permet d’optimiser les transferts de chaleur et les écoulements de fluides à l’intérieur des échangeurs. Couplée à des méthodes d’optimisation, la simulation peut permettre d’améliorer l’efficacité énergétique, de réduire les pertes thermiques et de maximiser la performance des systèmes industriels en proposant des modifications géométriques bien difficiles à intuiter.
• Simulation des conditions d’exploitation réelles : Les échangeurs thermiques fonctionnent dans des environnements où les conditions d’exploitation (températures, pressions, débits) peuvent varier considérablement. Grâce à la simulation CFD, il est possible de tester différents scénarios d’exploitation, tels que les variations de débit ou de température des fluides entrants, et d’évaluer l’impact sur les performances globales de l’équipement (efficacité dans des conditions de charge partielle ou maximale, ou perturbées).
• Réduction des pertes de charge : les pertes de charge dans un échangeur thermique sont un facteur clé qui influence le rendement énergétique globale. Plus les pertes de charge sont élevées, plus il est nécessaire de consommer de l’énergie pour pomper les fluides à travers l’équipement. En simulant les écoulements de fluide dans ces géométries complexes, il est possible de visualiser les turbulences, les zones de stagnation ou les phénomènes de recirculation qui augmentent les pertes de charge, et d’apporter les correctifs nécessaires.
• Équilibrage des écoulements : Ces pertes de charges peuvent également mener à des déséquilibres d’écoulement, conduisant à une surchauffe localisée ou à une perte d’efficacité. La simulation CFD permet de s’assurer que les écoulements de fluide sont équilibrés dans tout l’équipement, assurant ainsi un transfert de chaleur uniforme.

Conception des systèmes de ventilation industrielle

• Confort thermique et renouvellement de l’air : un des objectifs clés d’un système de ventilation est de garantir une circulation optimale de l’air dans les espaces industriels. La simulation CFD permet de modéliser les flux d’air dans des environnements fermés, identifiant les zones de stagnation, les courants d’air indésirables ou les endroits où la qualité de l’air peut se détériorer, pour ensuite corriger ces phénomènes en modifiant la conception du système ou le positionnement des soufflages et reprises.
• Refroidissement ou extraction ciblée : Certains équipements ou processus industriels nécessitent des zones de refroidissement localisées, ou une attention particulière aux risques de rétro-contamination. La simulation CFD aide à concevoir des systèmes de ventilation qui dirigent des flux d’air frais vers ces zones spécifiques, ou créant des rideaux d’air protégeant les zones sensibles d’un procédé industriel.
• Ventilation naturelle vs mécanique : en modélisant les conditions d’écoulement internes et météorologiques externes, et les effets de l’architecture, il est possible d’évaluer la possibilité d’un recours à la ventilation naturelle et de comparer les résultats obtenus à ceux en ventilation mécanique forcée.

Optimisation des systèmes de combustion

• Conception des brûleurs : Les brûleurs doivent être conçus pour assurer un mélange homogène de l’air et du carburant et une combustion complète. La modélisation permet de tester différentes conceptions de brûleurs et de simuler l’impact de la géométrie sur les flux d’air, le mélange et la stabilité de la flamme. Ces simulations permettent de concevoir des brûleurs qui optimisent l’efficacité de la combustion et réduisent la production de polluants.
• Formation des NOx et des suies : La formation d’oxydes d’azote (NOx) et de particules de suie est un problème majeur dans les systèmes de combustion industriels. En simulant les températures, les temps de séjour et les concentrations des espèces chimiques, la CFD permet de comprendre les conditions qui favorisent la formation de ces polluants et de proposer des solutions pour les réduire.
• Optimisation des flux de chaleur : En modélisant les transferts de chaleur par conduction, convection et rayonnement, la CFD permet de mieux comprendre comment la chaleur se propage dans la chambre de combustion.
• Optimisation des dispositifs d’injection de carburant : Les systèmes d’injection de carburant sont cruciaux pour déterminer la qualité de la combustion. La simulation CFD permet de modéliser les écoulements de carburant, les processus d’évaporation et de mélange, ainsi que l’atomisation des gouttelettes. En ajustant les conditions d’injection, il est possible d’améliorer la combustion et de garantir une meilleure répartition du carburant, ce qui conduit à une efficacité accrue.

Turbomachines

• Conception de pompes et compresseurs: pour certaines applications, en fonction des propriétés du fluide, du débit et de la vitesse spécifique possible, il peut être nécessaire de difficile de trouver dans le commerce des surpresseurs et pompes adaptés. OptiFluides vous accompagne dans la conception d’une nouvelle pompe répondant à ce besoin.
• Amélioration des diffuseurs : Les diffuseurs sont essentiels pour ralentir et régulariser les flux à la sortie des turbines ou des compresseurs. Grâce à la CFD, il est possible de simuler les variations de pression et de vitesse dans les diffuseurs, permettant d’optimiser leur conception pour minimiser les pertes de charge et assurer une transformation efficace de l’énergie au fluide.
• Détection de la cavitation : la modélisation des conditions d’écoulement et de pression qui favorisent la cavitation dans les turbomachines permet d’identifier les zones à risque et de proposer des ajustements dans la conception pour éviter ces phénomènes destructeurs.

Réseaux de fluides

• Réduction des pertes de charges : Les pertes de charge dans les systèmes de tuyauterie et de transport de fluides peuvent entraîner une réduction de l’efficacité énergétique, notamment dans les circuits hydrauliques. OptiFluides vous aide à identifier les zones critiques à l’origine de ces pertes et à les corriger.
• Equilibrage des réseaux : La simulation CFD permet également de déterminer le débit circulant dans chacune des branches d’un réseau et à réaliser les modifications nécessaires à l’obtention des débits souhaités dans chacune d’elles.
• Réduction de modèle: Afin d’intégrer le système étudié dans un logiciel de pilotage ou de suivi de l’installation, la simulation permet par exemple de caractériser la loi débit / perte de charge en fonction des conditions de fonctionnement.

Systèmes de filtration et séparation des particules

Les systèmes de filtration et de séparation des particules sont essentiels pour traiter l’air, l’eau et les produits chimiques dans de nombreux secteurs industriels. Les cyclones, les décanteurs et les membranes poreuses sont quelques exemples. Ces systèmes peuvent être modéliser en intégrant les écoulements et le comportement des particules.

Conclusion

A travers les exemples cités, nous avons montré comment la simulation CFD permet d’améliorer la performance, de réduire les coûts et de prolonger la durée de vie des équipements. Il ne s’agit que d’une liste non exhaustive, et il y a fort à parier que si vous êtes confrontés à une problématique impliquant un écoulement fluide dans la conception de votre produit, la simulation pourra apporter des éléments de réponses. Les entreprises industrielles peuvent ainsi innover, accroître leur compétitivité et répondre aux défis environnementaux.

Si vous souhaitez optimiser vos équipements industriels grâce à la simulation CFD, notre équipe est à votre disposition pour vous fournir des solutions sur mesure. Contactez-nous !