Soutenance de thèse de Mustafa Ishak BENZAZA

La pollution atmosphérique particulaire représente un enjeu sanitaire et environne mental majeur auquel de nombreux secteurs industriels sont directement confrontés. Le séparateur cyclonique constitue une solution de dépollution largement répandue dans les secteurs industriels, grâce son faible coût de maintenance et l’absence de partie mobile. Toutefois, ses performances restent limitées pour la capture des particules de diamètre inférieur à 5 µm, et la perte de charge demeure élevée sous des débits importants.

Ces travaux, menés en collaboration avec Stivent Industrie, visent à améliorer si multanément l’efficacité de séparation et à réduire la perte de charge d’un séparateur cyclonique industriel, par le développement d’un outil de simulation CFD sous OpenFOAM et l’évaluation de solutions de contrôle passif.

La méthodologie numérique repose sur un modèle de turbulence hybride S-A DES, retenu pour sa capacité à capturer les structures tourbillonnaires de l’écoulement cyclonique. Une contribution originale porte sur l’imposition d’une condition aux limites de pression de type fixedMean en sortie, permettant de contraindre globalement l’écoulement tourbillonnaire confiné. La validation est conduite par comparaison avec des simulations LES et des données expérimentales de vélocimétrie laser Doppler (LDA) de la littérature, avec un bon accord sur les profils de vitesse et la perte de charge.

Une campagne d’essais expérimentaux sur le séparateur à échelle industrielle a permis une validation complémentaire du modèle. Le banc d’essai comprend un micro-manomètre différentiel, une sonde à cinq trous pour la caractérisation aérodynamique tridimensionnelle, et une sonde isocinétique couplée à un compteur optique de particules OPS 3330 pour l’analyse granulométrique en amont et en aval du cyclone.

Quatre solutions de contrôle passif ont ensuite été évaluées. Le Vortex Breaker réduit la perte de charge de 60%, au détriment de l’efficacité de filtration. Le recyclage par canaux accroît l’efficacité de séparation de 70% pour les PM1.0 et de 89% pour les PM2.5, au prix d’une augmentation de la perte de charge de 29%. Le Deswirler dégrade simultanément les deux critères, bien qu’il produise un écoulement uniforme en sortie. Le Twist préserve l’efficacité tout en réduisant la perte de charge de 6%.

Ces résultats mettent en évidence un compromis fondamental entre efficacité de séparation et performance énergétique, les solutions proposées offrant des stratégies d’adaptation aux contraintes opératoires industrielles spécifiques.

Rapporteurs

• François-Xavier DEMOULIN, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie
• Gontrand LEYSSANS, Professeur des Universités, Université de Haute-Alsace

Examinateurs

• Bénédicte CUENOT, Habilitée à Diriger des Recherches / Ingénieur Expert, Safran Aircraft Engines
• Denis PETITPREZ, Professeur des Universités, Université de Lille

Directrice de thèse

• Céline MORIN, Professeure des Universités, INSA Hauts-de-France

Co-encadrants

• François BEAUBERT, Maître de Conférences, INSA Hauts-de-France
• Damien MÉRESSE, Maître de Conférences HDR, INSA Hauts-de-France
• David UYSTEPRUYST, Maître de Conférences, INSA Hauts-de-France

Invités

• Philippe BECEL, PDG de STIVENT INDUSTRIE
• Bertrand CANAPLE, Directeur Général de VALUTEC

Séparateur cyclonique, simulation CFD, OpenFOAM, modèle LES/RANS, écoulement tourbillonnaire, transport de particules (DPM), régulation passive, perte de charge, rendement de séparation.