Investigation numérique de modèles complexes de transport de pulpe par des méthodes volumes finis

Numerical investigation of complex slurry transport models using finite volume methods

• Auteur / Autrice : Souhail Maazioui
• Direction : Fayssal Benkhaldoun, Driss Ouazar, Abderrahim Maazouz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 11/07/2023
• Etablissement(s) : Paris 13 en cotutelle avec Université Mohammed V (Rabat)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École Mohammadia d'ingénieurs (Rabat, Maroc) - Laboratoire Analyse, géométrie et applications (LAGA) (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Vauchelet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abderrahim Maazouz, Ahmed Taik
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadia El Kissi, Philippe Helluy, Mourad Taha-Janan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoplasticité

Plasticité

Rhéologie

Mots clés libres

Suspensions

Dynamique numérique des fluides

Écoulements visco-Plastiques

Slurry

Computational fluid dynamics

Visco-Plastic flows

Résumé

La pulpe de minerai de phosphate est une suspension de particules insolubles de roche de phosphate, matière première principale des engrais et de l'acide phosphorique, dans une phase continue d'eau. Cette suspension a un comportement d'écoulement non newtonien et manifeste une contrainte seuil à l'approche d'une vitesse de cisaillement de zéro, ce qui peut être défini comme un comportement viscoplastique. Premièrement, nous avons proposé une méthodologie novatrice pour gérer la simulation numérique des écoulements viscoplastiques, basée sur un algorithme d'initialisation multigrille conjointement avec la procédure SIMPLE. En employant le solveur proposé en combinaison avec l'équation de régularisation de Papanastasiou, nous avons choisi le cas d'écoulement en cavité carrée entraînée par le couvercle et l'écoulement en pipeline comme cas d'études pour validation et discussion. De ce fait, nous avons examiné l'influence du nombre de Bingham et du nombre de Reynolds sur l'apparition des zones rigides et les caractéristiques des vortex dans le domaine d'écoulement. En ce qui concerne les écoulements viscoplastiques, nos expériences montrent que notre approche basée sur l'utilisation de la méthode de multigrille comme procédure d'initialisation apporte une contribution significative en surpassant la méthode classique à grille unique. Par la suite, nous avons choisi diverses teneurs et concentrations en minerai de phosphate pour cette étude rhéologique. Nous avons établi des protocoles expérimentaux pour déterminer les caractéristiques principales de ces fluides complexes et avons établi des modèles rhéologiques appropriés dans le but de simuler l'écoulement numérique dans un pipeline cylindrique. Les rhéogrammes de ces boues ont été obtenus à l'aide d'un rhéomètre rotatif et ont été modélisés avec précision en utilisant les modèles couramment employés pour le comportement pseudo-plastique à seuil. Les résultats démontrent que la concentration en solides d'un mélange solide-liquide peut être augmentée tout en conservant une viscosité apparente souhaitée. Par la suite, un nouveau modèle rhéologique pour l'écoulement des suspensions phosphate-eau a été proposé et s'est révélé être en accord avec les données expérimentales. Le modèle proposé a ensuite été intégré au code numérique OpenFoam. Les résultats démontrent que le modèle est capable de reproduire le comportement rhéologique des suspensions de phosphate à faibles et hautes concentrations en le comparant avec des modèles adaptés pour la modélisation du comportement rhéologique des suspensions de phosphate. Le modèle proposé peut offrir une voie pour la simulation précise et la gestion des écoulements de boue de phosphate. Les contributions globales de ce travail comblent une lacune significative dans la compréhension et la simulation actuelles de l'écoulement de la boue de minerai de phosphate En particulier, en matière logistique, l’OCP SA dispose du plus long pipeline de transport du phosphate au monde. Reliant le site minier de Khouribga-Maroc à la plate-forme de transformation de Jorf Lasfar-Maroc sur une longueur de 235 kilomètres, le Slurry Pipeline se veut une prouesse d’ingénierie qui permettra au groupe de doubler sa capacité de transport minier, de réduire ses dépenses en énergie et de diminuer considérablement la perte de phosphate tout au long de la chaîne de production. D’où la nécessité de comprendre les phénomènes physiques liés à ce mode de transport et de caractériser le comportement rhéologique de ce type de fluide.En particulier, concernant le Slurry pipeline, un enjeu majeur est le bon fonctionnement du pompage menacé par des problèmes techniques, notamment, des problèmes bouchages. Afin de prédire le comportement du fluide dans les conduites, une modélisation représentant l’écoulement est possible. Apparaît alors un problème modélisé mathématiquement par des équations dérivées des équations de Navier-Stockes.

Phosphate ore slurry is a suspension of insoluble particles of phosphate rock, the primary raw material for fertilizer and phosphoric acid, in a continuous phase of water. This suspension has a non-Newtonian flow behavior and exhibits yield stress as the shear rate tends toward zero, which can be described as viscoplastic behavior. First, we proposed an innovative methodology to handle the numerical simulation of viscoplastic ?ows, based on a multigrid initialization algorithm in conjunction with the SIMPLE procedure. Using the proposed solver in combination with the regularization scheme of Papanastasiou, we chose the square lid-driven cavity flow and pipe flow as test cases for validation and discussion. In doing so, we study the influence of the Bingham number and the Reynolds number on the development of rigid areas and the features of the vortices within the flow domain. Regarding viscoplastic flows, our experiments demonstrate that our approach based on using the multigrid method as an initialization procedure makes a significant contribution by outperforming the classic single grid method. Afterwards, various grades and phosphate ore concentrations were chosen for this rheological investigation. We created some experimental protocols to determine the main characteristics of these complex fluids and established relevant rheological models with a view to simulate the numerical flow in a cylindrical pipeline. Rheograms of these slurries were obtained using a rotational rheometer and were accurately modeled with commonly used yield-pseudoplastic models. The results show that the concentration of solids in a solid--liquid mixture could be increased while maintaining a desired apparent viscosity. Then, a new rheological model for the flow of phosphate-water suspensions is proposed and it is found to be in good agreement with experimental data. The proposed model is then incorporated into the OpenFoam numerical code. The results demonstrate that the model is capable of reproducing the rheological behavior of phosphate suspensions at both low and high concentrations by comparing it with suitable models for modeling the rheological behavior of phosphate suspensions. The proposed model can provide a pathway for accurately simulating and monitoring phosphate slurry flows. The overall contributions of this work address a significant gap in the current understanding and simulation of phosphate ore slurry flow.