Experimental and numerical study of Coanda ejectors for pneumatic solid transport

par Vincenzo Guerriero

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Robert Caen et de Lucien Baldas.

Soutenue en 2008

à Toulouse, INSA .

  • Titre traduit

    Etude numérique et expérimentale d'éjecteurs à effet Coanda pour le transport solide pneumatique


  • Résumé

    Le transport de matériaux solides au moyen d'un écoulement d’air est très répandu dans l'industrie. Les générateurs de ces écoulements peuvent être de type turbine ou soufflante, mais, de plus en plus, ce sont des éjecteurs à effet venturi ou à effet Coanda car ces derniers ne présentent pas de pièces mobiles et associent donc fiabilité et longévité. Les éjecteurs à effet Coanda sont basés sur l'effet d’attachement d'un écoulement à une paroi courbe (découvert par Henri Coanda en 1934). Ils utilisent comme source d'énergie un réservoir à haute pression (6-8 bars) qui génère un jet via un col sonique. Le jet suit une paroi courbe et entraîne un flux d'air important qui permet entre autre de transporter des particules solides. L'étude présentée dans cette thèse a pour objectif d'évaluer les possibilités d'utilisation d'un éjecteur à effet Coanda dans une ligne de transport de particules solides dont la taille et la concentration (caractérisée par le rapport débit solide/débit d’air) serait variable. Dans un premier temps, l'éjecteur a été étudié de façon isolée, dans la continuité des travaux de Stéphane Orieux qui a beaucoup contribué à l'amélioration des performances de ce dispositif. En effet, les paramètres géométriques (section du col sonique, angle et longueur du divergent…. ) ont une grande influence sur le débit entraîné pour une pression génératrice donnée. Les écoulements à l’intérieur du générateur sont en effet complexes (soniques, supersoniques puis subsoniques) et la zone de mélange qui détermine le flux entraîné est très sensible aux rapports des différentes sections. Nous avons par une approche semi analytique, numérique 2D et 3D et expérimentale (mesures au moyen de sonde de Pitot et PIV) contribué au développement de la connaissance des mécanismes physiques régissant le fonctionnement de ces dispositifs et ainsi, mis au point des outils d'aide à la conception des éjecteurs COVAL en fonction des problèmes choisis de transport de particules. La deuxième partie de notre travail a consisté en l’étude du transport de matières solides. Toujours dans l’esprit d’une utilisation industrielle, nous avons développé un modèle analytique simplifié s’inspirant et synthétisant de nombreux travaux présentés dans la littérature. Ce modèle permet de calculer la perte de charge d’un circuit de transport de particules en fonction de sa configuration (sections, lignes verticales et horizontales, coudes…) et des conditions de fonctionnement (particulièrement le rapport des débits massiques des particules solides et de l’air transporteur). Pour valider ce modèle, nous avons réalisé sur le site de la Société COVAL et avec l’aide des personnels de l’entreprise, un dispositif expérimental spécifique puis effectué des mesures de pression et de débit permettant de calculer les pertes de charge en fonction des particules transportées. Des contraintes techniques et de calendrier nous ont seulement permis de valider notre modèle sur des sections de conduites rectilignes pour des diamètres de particules ne dépassant pas 3 millimètres (le diamètre des conduites étant de 46 mm) et des rapports de débit masse solide/gaz inférieurs à 2 donc pour des particules très dispersées dans le flux d’air. Ce travail effectué dans le cadre d’une coopération Université/Entreprise, et grâce au soutient financier de la Commission Européenne dans le cadre d'une bourse Marie Curie d'accueil en entreprise, est une première approche que nous pensons utile à nos partenaires industriels. Il met également en évidence les points à développer tant sur le plan théorique qu’expérimental pour une optimisation du transport de particules en prenant pour base les générateurs actuellement fabriqués par la société COVAL


  • Résumé

    The transport of solid materials by means of pneumatic conveying is largely widespread in industry applications. The air flow generators for these systems may be turbines or fans, but more often, they are supersonic or Coanda ejectors as these devices do not present moving parts and thus associate reliability and durability. The Coanda effect ejectors are based on the phenomena of flow attachment to a curved wall (discovered by Henri Coanda in 1934). For this kind of ejector, the power is supplied by a high pressure reservoir (6-8 bars) which generates a jet via a sonic throat. The jet follows a curved wall and induces an important air flow which, amongst other things, makes it possible to transport solid particles. The main objective of the study presented in this thesis is to evaluate how a Coanda ejector could be used in the transport line of solid particles whose size and concentration (characterized by the ratio solid flow/air flow) would be variable. In a first part, the ejector has been studied alone, in the continuity of the work of Stéphane Orieux which contributed significantly to the increase in performances of this kind of device. Indeed, the geometrical parameters (section of the sonic throat, angle and length of the nozzle divergent part,. . . ) have a great influence on the induced flow for a given generating pressure. The flows inside the generator are complex (sonic, subsonic, supersonic) and the mixing zone which determines the induced flow is very sensitive to the ratios of the various sections. We have, by semi-analytical, numerical 2D and 3D and experimental (measurements by means of Pitot probe and PIV) approaches, contributed to a better knowledge of the physical mechanisms governing the operation of these devices and thus, developed tools helping in the design of COVAL ejectors, according to the selected particles transport problems. The second part of our work consisted in the study of the transport of solid matters. Again with the aim of an industrial utilization, we have developed a simplified analytical model, deduced from and summarizing numerous contributions presented in the literature. This model allows to calculate the pressure losses in a particles transport system, according to its configuration (sections, vertical and horizontal lines, bends. . . ) and to the operation conditions (particularly the ratio of mass flow rates of the solid particles and the conveying air) To validate this model, we have built up on the site of the COVAL company and with the assistance of its staff, a specific experimental device to carry out pressure and mass flow rate measurements that allow calculating the pressure losses according to the transported particles. Technical problems and time availability only allowed us to validate our model on linear sections of the transport line for particles diameters not exceeding 3 millimeters (the pipes diameter being of 46 mm) and for mass flow rate ratios (solid/gas) smaller than 2 hence for particles very dispersed in the air flow. This work performed in the framework of a University/Enterprise co-operation, and with the support from the European Commission through a Marie Curie Industry Host Fellowship, is a first approach that we think useful for our industrial partners. It also highlights the points to be developed as well on the theoretical level than on the experimental one for an optimization of particles transport systems based on the generators currently manufactured by the COVAL company

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XXVI-127 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 118-122

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées. Bibliothèque centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2008/934/GUE
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