Comportement Dynamique Fluide Structure Analyse CFD – Application aux Détendeurs Industriels

Les produits d'instrumentation en thermique industriel sont de plus en plus soumis à des normes de sécurité et d'environnement exigeantes. Leurs utilisation est de plus en plus demandée pour des applications complexes, médical, agroalimentaire, pétrochimie, nucléaire,...

Les matériaux de conception sont variés et doivent répondre à des critères variables en fonction de l'application demandée.

Deux orientations nécessaires nous motivent pour revisiter l'étude, la conception et le développement des produits d'instrumentation :

Une approche environnementale afin de prendre en compte les aspects reliés aux matériaux de sélection et leur impact environnemental –Ecoconception).

Une approche dimensionnelle basée sur la modélisation par CFD qui nous permet d'adapter la conception à différentes types d'applications de manière flexible en minimisant les essais expérimentaux tout en ayant une information précise sur le comportement dynamique du produit d'instrumentation dans son environnement d'utilisation (Analyse CFD : Calcul de dynamique des fluides (CFD) : Calculez les forces d'écoulement de fluide et de transfert de chaleur et évaluez l'impact d'un liquide ou d'un gaz en mouvement sur les performances du produit.).

Dans le cadre de cette étude, on s'intéresse plus particulièrement aux détendeurs de pression pour des applications diverses afin de revisiter sa conception, son comportement dynamique (interaction fluide / structure) dans le cadre d'une approche environnementale et en s'appuyant sur une technique de modélisation par CFD.

Les détendeurs de pression restent des produits primordiaux pour le contrôle des procédés dans différents secteurs d'activités : Médical, Pétrochimie, Nucléaire, Agroalimentaire,...

La modélisation en mécanique des fluides est de plus en plus demandée pour une meilleure compréhension des phénomènes physiques, pour simuler le comportement du fluide et la réponse de l'appareillage, tout ceci fait de la simulation un outil précieux et efficace pour le dimensionnement des produits et leurs utilisations dans un système complexe.

OBJET DE LA RECHERCHE

Les détendeurs régulateurs de pression constituent des éléments clefs dans l'industrie de la thermique, l'énergétique et l'instrumentation, leurs rôle est primordial dans le contrôle, la régulation et la protection des procédés.

L'intégrité des installations et la sécurité du personnel dépendent de la conception et de la performance appropriée de ces équipements. Leur conception repose sur le dimensionnement par rapport à leurs conditions d'utilisation.

Avec le développement des outils numériques, l'étude du comportement dynamique de ces organes d'instrumentation dans leurs contextes d'utilisation nécessite une analyse expérimentale et numérique adaptée aux besoins du procédé en termes de fonctionnement, de la sécurité et de l'optimisation.

Les contraintes règlementaires sécuritaires et écologiques ne peuvent que renforcer notre choix pour l'analyse numérique et expérimentale du comportement dynamique en instrumentation dans le cadre d'une étude approfondie de l'interaction fluide structure afin d'améliorer la conception et la réalisation de prototypes industriels destinés à des applications diverses.

A travers une approche expérimentale et numérique, la conception et le dimensionnement des produits d'instrumentation est plus efficace et mieux adapté aux différentes variations des paramètres de contrôle du comportement de ces organes.

Ces travaux essaient d'apporter des réponses améliorées aux problèmes de dimensionnement et de conception des ces produits en adoptant une approche expérimentale et numérique pour l'étude de leur comportement dynamique fluide/structure.

CAS EXPERIMENTAL-Détendeur : D00613 (TIM)

L'objectif de l'étude détaillée du prototype de détendeur est de prendre en compte chaque composant du detendeur dans l'analyse dynamique du comportement dynamique fluide structure. En outre l'écoconception nécessite l'étude de l'impact environnemental de chacun des composants afin de proposer un modèle environnemental optimal pour ce type de produit d'instrumentation. L'outil CFD permet de mieux comprendre le rôle de chaque élément et de voir l'influence du choix du matériau ou du fluide sur le comportement global, l'efficacité énergétique et les performances techniques du détendeur.

Analyse Expérimentale du comportement dynamique Détendeur / Fluide

Une description physique claire et globale du système (Détendeur – Fluide) nous permet de mieux comprendre les phénomènes physiques qui interagissent dans le système ainsi que les équations mathématiques qui les gouvernent.

C'est cette description qui nous permet de modéliser notre système, de l'étudier et comprendre son évolution et son comportement dans différentes situations (type de fluide, conditions de fonctionnement, …). A la suite de cette étude expérimentale, les résultats d'essais nous permettent de tester différentes simulations et de prédire le comportement dynamique détendeur - fluide dans les conditions voulues et pour les objectifs recherchés. De tels résultats seront exploités pour améliorer la conception et le dimensionnement du prototype expérimental d'essai. Ensuite, les essais et contrôles de validation sur le prototype amélioré nous permettent de tirer les conclusions à propos de notre étude et de l'apport de la CFD (compututionnel fluid dynamics) pour la conception et le dimensionnement des produits d'instrumentation. La prise en compte de l'aspect environnemental (choix des matériaux et des procédés) pour l'écoconception du prototype expérimental sera dans un premier temps découplé de la réalisation expérimentale. Une analyse environnementale sera présentée à la suite de la réalisation expérimentale, dans le cas du détendeur étudié.

Diamètre nominal et pression nominale

Le diamètre nominal (DN) est une mesure de référence permettant d'unifier les différents composants des appareils de robinetterie (tubes, robinets, etc.).

La pression nominale (PN) est la pression maximale à laquelle un fluide peut circuler dans un appareil. La pression nominale est donnée à température ambiante.

Caractérisation détendeur E00613 : Diamètre nominal (DN) / Débit : Air, Eau

Choisir un détendeur pour une application nécessite en premier lieu d'examiner les capacités du détendeur et de s'assurer que celles-ci correspondent au cahier des charges de l'application. Le meilleur point de départ est la courbe de débit du détendeur donnant un aperçu rapide de l'ensemble des capacités du détendeur. La courbe représente la plage des pressions qu'un détendeur est capable de maintenir en fonction de certains débits dans un système.

La fonction principale d'un régulateur est de maintenir une pression constante d'un côté du régulateur, même si la pression est différente ou variable de l'autre côté. Dans le cas d'un détendeur, c'est la pression aval qui est régulée.

Illustration détendeur


Illustration Pression aval / Débit

Une courbe de débit illustre les performances d’un détendeur en montrant les variations de la pression de sortie (axe des ordonnées) en fonction du débit (axe des abscisses). Le débit n’est pas contrôlé par le détendeur. Il est contrôlé en aval par une vanne ou un débitmètre. La courbe montre comment un détendeur réagit aux variations du débit dans le système.

Exemples applications

Détendeur E 00613/05/260

- Sous dimensionné, l'appareil fonctionne grand ouvert et ne régule pas;

- Sur dimensionné, le clapet agit trop près du siège et l'on assiste à un phénomène de pompage. La stabilité de la pression régulée est convenable lorsque le débit nominal demandé par l'installation se situe entre 20 et 80 % du débit maxi sous clapet.

Dans la mesure du possible, le diamètre de la tuyauterie aval doit être supérieur à celui de la tuyauterie amont et il est conseillé de prévoir une longueur droite en aval du réducteur d'au moins 10 fois le diamètre.

Il faut prévoir un réducteur de pression pour chaque ligne et non pas un réducteur commun. Dans certaines applications un filtre est nécessaire en amont d'un détendeur. La pression en aval du détendeur doit varier de façon progressive (d'électrovanne en aval d'un détendeur). (Projets en Perspectives)

Modèle de Comportement Dynamique Détendeur / Fluide

La formation du modèle mathématique de la dynamique du régulateur de pression représente une étape supplémentaire dans la perception de l'ensemble du problème lié à la synthèse optimale des dispositifs similaires à celui-ci. Ce modèle permet d'analyser les oscillations du systèmes (oscillations stables certaine amplitude et la fréquence sans la présence de perturbations extérieures) et l'aide que nous devrions obtenir des réponses à de nombreuses questions: par quelles valeurs des paramètres constructifs pour les régulateurs de pression le régime d'oscillation auto-excité est possible; la manière dont chaque paramètre influence le régime d'oscillation auto-excité ; comment les paramètres d'oscillation auto-excitée peuvent être corrigés ou comment ils peuvent être annulés, si nécessaire. Modèle non-linéaire, avec une certaine simplification, est utilisé à la modélisation régime impulsionnel, ce qui permet une optimisation de la réglementation par des critères de qualité de régime impulsionnel.

Fa: Force exercée par la pression atmosphérique sur la membrane : Pa.SM

F5 : Force exercée par la pression aval sur la section de passage au niveau du clapet : P2.SC

F4 : Force exercée par la pression amont sur la section de passage au niveau du clapet : P1.SC

F3 : Force exercée par la pression aval sur la membrane : P2.SM

F2 : Force du ressort de  clapet (amont) : f

F1 : Force du ressort principal (aval) : F

Les détendeurs de pression jouent un rôle primordial dans la régulation et la sécurité de plusieurs procédés industriels (liquide, gaz), l’utilisation diverse, la complexité des processus et les normes de sécurité de plus en plus exigeantes nécessite une maitrise du comportement dynamique de ce type d’instrumentation en fonction du procédé et des phénomènes physiques, chimiques mises en jeux.

L'intégrité des installations et de la sécurité du personnel dépendent de la conception et de la performance appropriée de ces équipements.

Les méthodes classiques de dimensionnement ne sont plus adaptées à la complexité des processus. Le développement de méthodes de dimensionnement du comportement dynamique des détendeurs de pression basées sur l’expérience et sur la modélisation numérique constitue une alternative qui s’adapte aux phénomènes complexes mise en jeux pour ce type d’instrumentation. En outre le dimensionnement par modélisation numérique réduit les multiples essais nécessaires et permet d’appréhender des comportements dynamiques imprévisibles.