Modélisation numérique 3D des écoulements turbulents à surface libre chargés en polluants particulaires dans un bassin de retenue-décantation des eaux pluviales

3D numerical modeling of turbulent flows with free surface and particulate pollutants transport in a retention-settling tank

Laboratoire de Génie Civil et d’Ingénierie Environnementale, Université de Lyon, INSA Lyon, F-69621 Villeurbanne, France
email : hexiang.yan@insa-lyon.fr, gislain.lipeme-kouyi@insa-lyon.fr, jean-luc.bertrand-krajewski@insa-lyon.fr

Résumé

Une fraction importante des charges polluantes des eaux pluviales est fixée sur les particules solides souvent véhiculées en suspension et qui décantent facilement lorsque les conditions hydrodynamiques le permettent (faible vitesse d’écoulement en général). C’est pourquoi la connaissance du transport solide et de la décantation est indispensable à la conception et à la gestion d’un bassin. Une nouvelle méthode permettant de simuler les processus de décantation est présentée dans cet article. Elle est fondée sur la comparaison de l’énergie transportée par la particule lorsqu’elle décante à l’énergie cinétique turbulente près du fond. L’énergie liée à la particule qui décante est calculée à partir de sa vitesse de chute. Sur cette base, un programme a été développé et intégré dans le logiciel Ansys Fluent. Le modèle développé a ensuite été testé dans le but d’identifier les zones préférentielles de dépôt dans un bassin pilote. Les résultats obtenus montrent que les zones de dépôt observées et simulées sont similaires. Cette méthode permet de prendre en compte simultanément les caractéristiques de la particule (principalement la vitesse de chute) et celles de l’écoulement près du fond (en particulier l’énergie cinétique turbulente).

Abstract

A significant fraction of stormwater pollutant loads is attached to suspended particles which settle easily when the hydrodynamic conditions are appropriate (low flow velocity in general). Therefore the knowledge on transport and settling of particulate pollutants is essential for the design and the sustainable management of a retention-settling tank. A new method allowing simulating the settling process is presented in this article. It is based on the comparison between the energy carried by the particle when it reaches the bottom and the turbulent kinetic energy near the bottom. The energy carried by the particle is calculated according to its settling velocity. On this basis, a program was developed and hooked into the software Ansys Fluent. The model was then tested in a case study of a pilot tank for identifying the sedimentation zones. The results show that the observed and simulated sedimentation zones are similar. This method allows taking into account both the characteristics of the particles (mainly the settling velocity) and the flow near the bottom (particularly the turbulent kinetic energy).