Modélisation numérique 3D de la décantation dans les bassins d'assainissement

Settling efficiency of storm-water tanks using 3D modelling

¹ Ecole Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg (ENGEES), 1 quai Koch, 67000 Strasbourg, France
e-mail : gilles.isenmann@engees.unistra.fr
² ICube, Mécanique des fluides, Hydraulique urbaine, 2 rue Boussingault, 67000 Strasbourg, France

Résumé

L'objectif de cette étude est le développement et la validation d'un outil numérique permettant d'évaluer la performance d'un ouvrage de décantation vis-à-vis de l'abattement des matières en suspension. L'approche Euler-Lagrange est retenue pour la modélisation de l'écoulement et du transport solide. Le modèle numérique développé s'appuie sur la bibliothèque open-source OpenFOAM®, enrichie de nouvelles conditions d'interaction particule/paroi afin de restreindre le dépôt aux zones présentant des conditions hydrodynamiques favorables. En particulier, une nouvelle relation est proposée pour le calcul de l'énergie cinétique turbulente seuil en fonction des propriétés de chaque particule. Le modèle numérique est confronté à trois jeux de données expérimentales issues de la littérature et collectées sur des modèles réduits de bassin. L'ensemble de ces expérimentations permettent d'investiguer une large gamme des paramètres représentatifs de l'écoulement (nombres de Froude et de Reynolds) et du transport solide (diamètre adimensionnel). La comparaison des résultats numériques et expérimentaux permet de conclure sur la capacité du modèle à prévoir l'abattement avec une erreur absolue de l'ordre de 5% lorsque les dépôts ont lieu sur l'ensemble du fond. Dans le cas de dépôts localisés dans des zones préférentielles, la répartition des dépôts est bien reproduite par le modèle et l'abattement est évalué avec une erreur absolue de l'ordre de 10% (hors cas de particules très peu denses).

Abstract

The purpose of this study is to develop and validate a numerical tool for evaluating the performance of a settling basin regarding the trapping of suspended matter. The Euler-Lagrange approach was chosen to model the flow and sediment transport. The numerical model developed relies on the open source library OpenFOAM®, enhanced with new particle/wall interaction conditions to limit sediment deposition in zones with favourable hydrodynamic conditions. In particular, a new relation is proposed for calculating the turbulent kinetic energy threshold as a function of the properties of each particle. The numerical model is compared to three experimental datasets taken from the literature and collected for scale models of basins. The comparison of the numerical and experimental results permits concluding on the model's capacity to predict the trapping of particles in a settling basin with an absolute error in the region of 5% when the sediment depositions occur over the entire bed. In the case of sediment depositions localised in preferential zones, their distribution is reproduced well by the model and trapping efficiency is evaluated with an absolute error in the region of 10% (excluding cases of particles with very low density).