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UNIVERSITÉ DE STRASBOURG Laboratoire ICUBE – UMR 7357 Habilitation à Diriger le

UNIVERSITÉ DE STRASBOURG Laboratoire ICUBE – UMR 7357 Habilitation à Diriger les Recherches présentée par : Julien LAURENT soutenue le : 10 novembre 2016 Modélisation du couplage de la dynamique des écoulements et des cinétiques réactionnelles Démarche appliquée aux bioprocédés de traitement des effluents Garant d’Habilitation M. Adrien WANKO NGNIEN Maître de Conférences, HDR, ENGEES RAPPORTEURS : M. Nicolas ROCHE Professeur, Aix-Marseille Université M. Yves COMEAU Professeur, Polytechnique Montréal M. Mathieu SPERANDIO Professeur, INSA Toulouse AUTRES MEMBRES DU JURY : M. Jean-Marc CHOUBERT Ingénieur de recherche, HDR, IRSTEA M. Olivier POTIER Maître de Conférences, HDR, Université de Lorraine M. Marc HERAN Professeur, Université de Montpellier ii « If we know what is happening within the vessel, then we are able to predict the be- havior of the vessel as a reactor. Though ﬁne in principle, the attendant complexities make it impractical to use this approach » Octave Levenspiel (1972) iii Table des matières Introduction 1 1 Mon parcours de chercheur 5 1.1 Thèse de doctorat (2006-2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.1 Contexte et objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.2 Méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.3.1 Études en réacteurs pilotes . . . . . . . . . . 9 1.1.3.2 Études à l’échelle du laboratoire . . . . . . . 11 1.1.3.3 Travaux annexes . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2 Post-Doctorat (2009-2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.1 Contexte et objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.2 Étude bibliographique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.3 Validation et réconciliation de données . . . . . . . . 15 1.2.4 Étude numérique de la décantation réactive dans les SBR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.4.1 Description du modèle . . . . . . . . . . . . 16 1.2.4.2 Résultats obtenus pour le cycle de référence 18 1.2.4.3 Analyse de paramètres opérationnels . . . . 19 1.2.5 Mise en perspective avec mes thématiques actuelles . 20 1.3 Maître de Conférences (depuis 2010) . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.1 Formation à la mécanique des ﬂuides numérique . . 23 1.3.2 Utilisation de la CFD pour simuler le mélange dans un réacteur à boues activées . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3.3 Reconversion thématique . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2 Utilisation de la CFD pour modéliser les STEU 29 2.1 Qu’est que la CFD? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2 Vers des modèles simpliﬁés "nouvelle génération" . . . . . . 30 2.3 Exemple d’application : développement des modèles com- partimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3 Bonnes pratiques en mécanique des ﬂuides numérique 37 3.1 Présentation du protocole pour la modélisation CFD . . . . . 39 3.2 Hypothèses de base du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.1 Dimensions du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Régime permanent ou transitoire . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Description des différentes phases ou espèces . . . . 42 3.2.3.1 Propriétés des phases . . . . . . . . . . . . . 42 3.2.3.2 Modèle multiphasique . . . . . . . . . . . . 42 3.2.4 Modèles additionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 iv 3.3 Développement du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.1 Déﬁnition de la géométrie . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.2 Maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.3.3 Conﬁguration du solveur . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.3.4 Modélisation des différentes phases . . . . . . . . . . 47 3.3.5 Modèles de turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3.6 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3.7 Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4 Calage et validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4 Modélisation des clariﬁcateurs secondaires 53 4.1 Contexte et état de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.1.1 Régimes de décantation . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.1.1.1 Décantation discrète . . . . . . . . . . . . . . 55 4.1.1.2 Décantation de zone . . . . . . . . . . . . . . 56 4.1.1.3 Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.2 Modèles existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.2.1 Modèle 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.2.2 Modèles CFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2 Objectifs du programme de recherche . . . . . . . . . . . . . 59 4.3 Matériel et méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.3.1 Colonne de sédimentation en batch . . . . . . . . . . 60 4.3.2 Mesure de la hauteur du voile de boues . . . . . . . . 60 4.3.3 Mesure des proﬁls de vitesse de sédimentation . . . . 61 4.3.4 Mesure des proﬁls de concentration . . . . . . . . . . 61 4.4 Résultats et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.4.1 Calage des fonctions constitutives pour la décanta- tion de zone et la compression . . . . . . . . . . . . . 63 4.4.2 Fluctuations de vitesse dans la zone de décantation freinée . . . . . . . . . . . . . . . . . . uploads/Management/ 2016-laurent-julien-cfd.pdf