Simulation numérique de la mécanique des fluides (CFD)

La simulation numérique est la clef qui permet de sonder l’intérieur de la « boîte noire » que peut représenter un équipement de combustion industriel. La simulation numérique constitue un véritable banc d’essai virtuel à partir duquel des problèmes de conception peuvent être diagnostiqués, des équipements actuels peuvent être optimisés et de nouveaux équipements peuvent être développés.

Le processus implique la construction d’un modèle 3D numérique de l’équipement, la sélection des modèles physiques pertinents et des conditions aux frontières et la discrétisation de la géométrie (maillage). La solution à un problème de simulation numérique inclut habituellement les vitesses d’écoulement, pressions, températures, concentrations d’espèces chimiques et autres paramètres pertinents partout à l’intérieur du volume simulé. Une fois la solution obtenue (à l’aide d’une procédure de calcul itérative), son analyse et interprétation permettra de comprendre ce qui se passe réellement avec votre équipement. Le modèle peut alors être utilisé pour tester cet équipement sous diverses conditions d’opération, ce qui permet de prédire et de comprendre son comportement.

Grâce à notre expertise en combustion, les simulations numériques de combustion sont renforcées par l’ajout de modèles de combustion spécialisés développés à l’interne par BMA. Ces modèles permettent de simuler la combustion de plusieurs types de combustibles (gazeux, liquides et solides) et d’obtenir de l’information additionnelle sur les contours de flamme, les concentrations de polluants tels CO et de NOx ainsi que les flux de chaleur générés dans votre foyer, four ou chaudière.

Lors du développement de nouveaux équipements, vous pouvez enlever l’incertitude de l’équation car la vraie géométrie de vos équipements est utilisée. La simulation numérique peut :

• Vous sauver du temps et de l’argent en testant les performances des prototypes avant la mise en chantier;
• Déboguer l’opération d’équipement en testant leur performance avant l’implantation. Il n’est plus nécessaire de se fier à des corrélations empiriques  puisque la CFD permet de reproduire le vrai comportement. Par exemple, au lieu de se fier à des corrélations de perte de charge pour déterminer celle de votre équipement, la CFD permet de déterminer les vraies courbes de perte de pression pour toute la plage d’opération.
• Éliminer les problèmes de mise à l'échelle. Les simulations sont effectuées en utilisant la géométrie réelle de l’équipement et non pas à une échelle réduite comme c’est souvent le cas avec des modèles analogiques.

Pour des équipements et des procédés existants, la simulation numérique peut:

• Éliminer les essais et erreurs coûteux sur le site par le biais de l’expérimentation virtuelle. Cela est idéal lorsque l’équipement en question doit demeurer en opération et n’est pas disponible pour des tests de débogage.
• Fournir des informations qui seraient difficilement obtenues sur le terrain de par leur nature ou l’emplacement des sondes de mesure nécessaires. Cela est idéal pour optimiser la performance et la productivité du procédé en identifiant les goulots d’étranglement.

La simulation numérique peut reproduire :

• L’écoulement des fluides (liquides, gaz)
• Le transfert de chaleur
• La combustion
• La formation des polluants (CO, NOx)
• La turbulence et l’effet de mélange
• La dispersion des particules
• L’acoustique
• Et plus encore...

Jusqu’à maintenant, nous avons utilisé la simulation numérique pour des :

• Chaudières au gaz naturel, à l’huile, au charbon et à la biomasse
• Incinérateurs
• Appareils de chauffage
• Fournaises
• Fours rotatifs
• Brûleurs à faible émission de NOx
• Conduites d’air et de gaz de combustion
• Boîtes à vent
• Échangeurs de chaleur
• Systèmes CVC
• Réservoirs de désulfurisation
• Tours de refroidissement
• Turbines
• Pompes
• Désurchauffeurs
• Cas d’ingénierie éolienne

Les possibilités sont « virtuellement » infinies!

Quelques exemples de clients ayant bénéficié de notre expertise en CFD :

BMA a complété une étude CFD d’un système d’alimentation en air de combustion proposé pour un four de 48 brûleurs dans une raffinerie. Le système doit pouvoir utiliser soit de l’air préchauffé, soit l’air ambiant aspiré par tirage naturel. L’étude a révélé que la configuration proposée ne serait pas en mesure de fournir une distribution uniforme d’air de combustion à chacun des 48 brûleurs. À l’aide de simulations additionnelles, BMA a pu recommander des modifications au système d’alimentation qui ont permis d’obtenir une distribution uniforme et ce, pour les deux types d’alimentation d’air mentionnés ci-haut.

BMA a complété une étude CFD sur une cellule de biomasse pour un chauffe-eau résidentiel pour assister un fabricant de chauffe-eau dans la conception et l’optimisation d’une version agrandie de celui-ci. Le rapport émis contenait entre autres des recommandations sur les modifications à effectuer de façon à éviter les points chauds sur l’intérieur de la plaque frontale de la chambre de combustion de l’unité.

BMA a réalisé plusieurs études CFD faisant partie d’un projet de modernisation d’un incinérateur municipal ayant une capacité de 1000 tonnes métriques par jour. Une simulation préliminaire du fonctionnement actuel de l’installation a permis de déterminer les points faibles du système et par conséquent les possibilités d’amélioration. Des recommandations ont par la suite été émises sur la modification des conditions d’opération pour améliorer la distribution entre l’air primaire et secondaire. Des simulations subséquentes ont été conduites parallèlement aux tests pour valider les résultats de simulation et mieux comprendre l’effet que la variation de certains paramètres tels que l’excès d’air, la distribution de l’air et sa température auraient sur la performance de l’incinérateur.

Étude de circulation côté eau d’une chaudière

BMA possède un logiciel développé à l’interne permettant l’analyse de la circulation naturelle ou assistée de l’eau dans les tubes d’une chaudière.

De façon similaire à la CFD, le processus implique la construction d’un modèle numérique de la géométrie des tubes, la discrétisation de ce modèle (maillage) et l’application des flux de chaleur  sur les tubes situés à différents endroits dans la chaudière. Le logiciel reproduit l’ébullition et l’écoulement diphasique et est en mesure de prédire les conditions d’écoulement telles que les débits, vitesses, qualités, fractions de vide, caractéristiques de transfert de chaleur et les différents régimes d’écoulement et finalement les flux de chaleur critiques et limites d’assèchement intermittent à l’intérieur des tubes.

Ultimement, une analyse de circulation d’eau dans une chaudière permettra de détecter les problèmes potentiels de surchauffe des tubes qui pourraient entraîner une défaillance des tubes (fuite ou rupture). Une telle analyse, utilisée conjointement à une analyse de CFD de l’intérieur de la chaudière, devient un outil puissant pour les concepteurs de chaudière pour pouvoir tester et raffiner rapidement de nouvelles idées.

Que vous soyez un fabricant ou un opérateur de chaudières, une analyse de circulation peut vous aider à :

• Détecter à l’avance des problèmes potentiels d’écoulement d’eau dans la chaudière, ce qui permet d’apporter des mesures correctives avant que des défaillances de tubes surviennent.
• Déterminer s’il est possible d’augmenter la production de vapeur sans compromettre la circulation naturelle d’eau dans la chaudière. Si des changements sont nécessaires pour augmenter la production de vapeur, l’analyse de circulation aidera à déterminer la nature de ces changements.

Quelques exemples de clients ayant bénéficié de notre expertise en circulation :

BMA a conduit une étude pour déterminer le potentiel d’augmentation de la capacité de deux chaudières à vapeur pour une usine de production d’alliages de fer. En plus d’effectuer une vérification de tous les équipements auxiliaires à la chaudière, l’étude incluait une analyse de circulation pour déterminer la quantité maximale de vapeur produisable par la chaudière sans compromettre la circulation naturelle de l’eau. Il a été déterminé que la circulation d’eau pouvait permettre une augmentation de la production de vapeur jusqu’à 135% de la production initiale et qu’en plus, cette circulation maximale n’était pas le facteur limitatif.

BMA a mené à terme une étude de circulation dont le but était d’analyser l’effet qu’auraient certaines nouvelles caractéristiques de conception sur l’écoulement d’eau pour une chaudière à vapeur de type D de 200 000 PPH pour un fabricant de chaudières. Bien que les caractéristiques testées auraient pu permettre l’amélioration de l’efficacité de la chaudière, l’étude a révélé que certaines régions de la chaudière présentaient des zones avec une circulation d’eau réduite. Plusieurs recommandations de conception ont été fournies pour permettre une amélioration de la circulation tout en conservant l’amélioration d’efficacité désirée.