Analyse des flux aérauliques et thermiques de l'usine d'Aluminium Dunkerque par modélisation 3D et simulations CFD, dans le cadre de l'ajout d'un 8ème four.
L'étude se concentre sur l'optimisation du placement des systèmes d'aération pour l'usine d'aluminium Dunkerque. Des simulations numériques CFD ont été effectuées pour analyser les flux de fluides et évaluer les conditions aérauliques et thermiques de l'usine afin de proposer des recommandations précises pour optimiser le placement des systèmes d'aération.
L'essentiel. Aluminium Dunkerque veut ajouter un 8e four à une fonderie refroidie par ventilation naturelle (7 fours à environ 750 °C). Audit sur site (tests fumigènes, sondes de température, caméra thermique) et données météo de Dunkerque ont alimenté un modèle CFD 3D. Résultat : un aérateur charpentier au-dessus du four 8 et la fermeture d'une ventelle contreproductive font chuter la température sous toiture, à débit d'extraction quasi constant.
L'étude réalisée porte sur le placement des aérations afin d'améliorer le confort thermique de l'usine d'Aluminium Dunkerque, ayant un système de refroidissement par ventilation naturelle. L'usine est composée de 7 fours et une chaîne de production de lingots, et pour augmenter la capacité de production, la création d'un 8ème four est envisagée. La température de ces fours est située aux alentours de 750°C et des mouvements d'air chauds importants sont donc générés à l'intérieur de l'usine.
Le hall de fonderie est équipé de 4 grands aérateurs charpentiers, de 13 aérateurs statiques, ainsi que de persiennes sur certaines façades du bâtiment. L'objectif de cette étude sera donc d'étudier si le système d'aération actuel est suffisant pour l'ajout d'un 8ème four, et si non de trouver comment y remédier.
Un aérateur charpentier est un lanterneau de grande dimension intégré à la charpente en toiture. Sans moteur, il évacue l'air chaud par tirage thermique sur une large section, ce qui le rend efficace au-dessus des sources très chaudes comme un four.
L'audit réalisé avait pour objectif de collecter un maximum d'informations sur le fonctionnement du site en ce qui concerne la température et les mouvements d'air. Différents tests et outils de mesure ont été utilisés pour atteindre cet objectif. Le test fumigène a été réalisé à l'aide d'une machine à fumée qui a généré une importante quantité de fumée dans le volume. Cela a permis de visualiser les mouvements macro des courants d'air à l'intérieur du site.
Les fumées utilisées étaient sans danger pour l'environnement et ont été générées à partir d'un liquide à base d'eau et de glycol non polluant. Des vidéos ont été réalisées lors de ces tests pour analyser les phénomènes observés sur place. Des appareils de mesure des températures d'air, tels que des sondes télescopiques sous certification d'étalonnage, ont été utilisés pour relever les températures et les vitesses d'air sur le site. Les résultats des tests fumigènes ont montré que les courants d'air à proximité des fours sont principalement ascendants.
Ensuite, des images thermiques ont été utilisées pour mettre en évidence les sources principales des phénomènes thermiques et les différentes zones plus ou moins denses en chaleur.
Les températures relevées ont été comparées avec les résultats des simulations CFD pour vérifier leur cohérence.
Il a été pris en compte l'émissivité des différentes surfaces pour estimer les températures.
Toutes les aérations, ouvertures et passages d'air dans le site ont été identifiés lors de l'audit. Cela permet de reproduire fidèlement l'usine dans les simulations, en tenant compte également des plans fournis. Quatre types d'ouvertures ont été identifiés, comprenant des portes entièrement ouvertes, des ventelles sur les façades, des aérateurs charpentiers et des aérateurs statiques. L'audit a également permis de repérer la géométrie globale de la fonderie et les différents volumes qui influent sur l'écoulement de l'air. Ces informations sur les températures, les mouvements d'air, les ouvertures et la géométrie du site sont essentielles pour comprendre et reproduire fidèlement l'usine dans les simulations. Elles serviront également de base pour formuler des recommandations visant à optimiser les conditions aérauliques et thermiques sur le site.
Les données climatologiques de la station météorologique de Dunkerque sont d'une importance capitale pour définir les conditions climatiques extérieures nécessaires à l'étude des ventilations de l'usine. Les informations collectées comprennent la vitesse et la direction des vents, ainsi que la température minimale moyenne en hiver et la température maximale moyenne en été.
De plus, les pics de températures les plus extrêmes enregistrés sont également pris en compte. Ces données jouent un rôle crucial dans l'adaptation des stratégies de ventilation et de climatisation afin de garantir le confort optimal des opérateurs de l'usine tout au long de l'année.
La mécanique des fluides numérique (CFD), ou Dynamics (CFD) en anglais, est une méthode numérique permettant d'étudier les écoulements de fluide dans un environnement donné. Cette méthode utilise des équations aux dérivées partielles pour résoudre les problèmes d'écoulement des fluides, qui sont souvent insolubles analytiquement.
Dans le contexte des bâtiments, une étude CFD peut fournir des informations sur les vitesses d'air, les pressions et les températures à l'intérieur et autour des espaces de construction. Cela permet de mieux comprendre les conditions aérauliques et thermiques, notamment dans le cadre de la conception de systèmes de ventilation et de climatisation.
Les simulations CFD sont particulièrement utiles pour optimiser le confort intérieur en s'assurant que les flux d'air sont adéquats et bien répartis, ce qui contribue à améliorer l'efficacité énergétique et le bien-être des occupants. La modélisation géométrique est une étape essentielle dans les simulations CFD. Elle consiste à représenter de manière fidèle la géométrie du site ou du bâtiment étudié. Cela permet de définir les conditions aux limites, telles que le type de parois, les surfaces ouvertes sur l'extérieur, les apports internes de chaleur, etc. La modélisation géométrique permet également de simplifier le modèle en éliminant les éléments non pertinents pour l'étude aéraulique et thermique, ce qui facilite l'interprétation des résultats.
En résumé, les simulations CFD sont utilisées pour étudier les écoulements de fluides dans le cadre de la conception de bâtiments. Elles permettent d'optimiser les conditions aérauliques et thermiques, d'améliorer le confort intérieur et d'optimiser l'efficacité énergétique. La modélisation géométrique et le maillage du modèle sont des étapes clés dans ce processus, tout comme la définition des conditions aux limites et l'utilisation de modèles de turbulence appropriés.
L'objectif de cette étude était de vérifier le bon fonctionnement aéraulique du site suite à l'ajout du nouveau four 8. Plusieurs scénarios ont été examinés à cette fin. Le premier scénario était le scénario existant, reprenant les systèmes d'extraction d'air tels qu'ils sont actuellement en place, avec des conditions externes basées sur l'analyse météorologique. Cependant, les résultats ont montré un déséquilibre de la répartition de la température entre le côté nord et sud du site, en raison de l'absence d'une hotte d'aspiration pour le four 8 et d'un aérateur charpentier. Le deuxième scénario a incorporé des statiques supplémentaires au-dessus du four 8. Les résultats ont démontré que l'ajout de ces aérateurs permettait une évacuation plus rapide et ciblée de l'air chargé en chaleur, améliorant ainsi le fonctionnement aéraulique du site.
Suite aux résultats du deuxième scénario, le troisième scénario a été étudié en impliquant la fermeture d'une ventelle jugée contreproductive. Ce scénario a montré que la fermeture de cette ouverture favorisait la stratification de l'air chaud, entraînant un meilleur tirage thermique et une évacuation plus efficace de l'air chargé en chaleur. Ces résultats démontrent donc l'importance du bon placement des systèmes d'extraction d'air et des ouvertures d'aération dans le bon fonctionnement aéraulique du site. Les recommandations qui en découlent encouragent l'ajout d'aérateurs ciblés pour faciliter une évacuation plus efficace de l'air chargé en chaleur et la fermeture de certaines ouvertures pour favoriser une stratification optimale de l'air chaud.
Lors de cette étude, deux configurations ont été examinées pour évaluer l'efficacité de l'extraction de poussière dans le cas du four 8 en mode porte ouverte. La première configuration était la configuration de base, tandis que la seconde configuration comprenait l'ajout d'aérateurs statiques et la fermeture de la ventelle inappropriée. Cette étude rejoint notre expertise sur l'étude de la propagation des poudres et des poussières fines.
Le tirage thermique est le mouvement ascendant de l'air dû à sa dilatation quand il chauffe : plus léger, il monte et s'échappe par les ouvertures hautes, aspirant de l'air frais par le bas. C'est le moteur de la ventilation naturelle. Ce phénomène relève du dimensionnement des aérateurs statiques.
Les simulations réalisées ont ensuite inclus l'installation d'un nouvel aérateur charpentier au-dessus du four 8. Les résultats des simulations ont montré que l'aérateur charpentier nouvellement ajouté avait un impact significatif sur les écoulements d'air. On observe une disparition du flux dirigé du four 8 vers les petits aérateurs charpentier déjà présents.
En ce qui concerne la distribution de température, les résultats indiquent une répartition similaire à celle des scénarios précédents, mais avec une baisse nette de la température sous le toit grâce à la présence de l'aérateur charpentier.
La température sous le toit baisse considérément grâce à l'évacuation rapide de l'air chaud chargé en calories par l'aérateur charpentier. Les résultats soulignent également que le débit d'extraction total reste globalement constant, avec une légère augmentation par rapport à la configuration existante. Ces résultats démontrent l'efficacité de l'aérateur charpentier ajouté au-dessus du four 8 pour évacuer rapidement l'air chaud chargé en calories. Cette modification contribue donc à améliorer les écoulements d'air et les conditions thermiques dans le bâtiment.
L'étude radiative dans le cadre de l'analyse thermo-aéraulique d'une usine permet de mieux comprendre l'impact du rayonnement thermique, d'évaluer l'interaction entre le rayonnement et la convection, et d'identifier les zones où des ajustements sont nécessaires pour optimiser les conditions thermiques à l'intérieur de l'usine. Cela permet d'améliorer le confort des travailleurs, de prévenir les problèmes de surchauffe et d'optimiser l'efficacité énergétique de l'usine.
Le rayonnement thermique est le transfert de chaleur par ondes électromagnétiques, sans contact ni air intermédiaire. Un four très chaud chauffe ainsi directement les parois qui lui font face, en plus de l'air : c'est un apport distinct de la convection, à traiter séparément.
Des simulations ont donc été réalisées pour évaluer le transfert radiatif provenant du four 8 vers les parois environnantes dans deux scénarios différents. Le premier scénario correspond à la configuration habituelle où le four 8 est fermé. Les résultats ont montré que des flux radiatifs importants étaient reçus par la façade nord, le mur face au four et la toiture basse avec des températures maximales atteignant environ 70°C. Le deuxième scénario concerne le four 8 ouvert avec une température intérieure de 500°C pour prendre en compte le refroidissement du four ouvert. Les mêmes zones sont alors aussi soumises à d'importants flux radiatifs avec des températures maximales de l'ordre de 75°C.
Ces résultats démontrent l'impact significatif du transfert radiatif du four 8 vers les parois environnantes. Ils mettent en évidence les zones qui reçoivent les flux radiatifs les plus importants, notamment la façade nord, le mur face au four 8 et la toiture basse.
L'expertise de notre entreprise a permis de trouver des solutions techniques pour l'ajout d'un nouveau four dans l'usine et d'améliorer le confort thermique pour les travailleurs. Les modifications effectuées ont entraîné une réduction significative des températures sous la toiture et au niveau des zones de travail, ainsi que l'amélioration de l'aération en réduisant les flux d'air chaud à des endroits précis.
L'analyse radiative a également permis d'identifier trois zones où le transfert radiatif est plus intense, pouvant représenter un danger pour les travailleurs. Ces résultats contribuent à améliorer la compréhension des écoulements d'air et des conditions thermiques, et permettent de formuler des recommandations pour optimiser l'aération, la température et plus généralement les conditions de travail à l'intérieur du site.
À retenir. Ajouter une source de chaleur à un hall ventilé naturellement ne se résume pas à percer une ouverture de plus : c'est la position des aérateurs et la fermeture ciblée de certaines ouvertures qui rétablissent un tirage thermique efficace, convection et rayonnement pris ensemble.
Ventilation naturelle, aérateurs charpentiers et rayonnement des fours dans une aluminerie.
Oui, à condition de redimensionner l'aération. L'étude montre qu'en ajoutant un aérateur charpentier au-dessus du four 8 et en fermant une ventelle contreproductive, le site évacue l'air chaud du huitième four sans ventilateur. Une démarche voisine a été conduite sur notre projet ventilation naturelle d'une usine sidérurgique.
Une ouverture mal placée peut court-circuiter le tirage thermique en laissant entrer de l'air là où l'air chaud devrait monter. En la fermant, on favorise la stratification de l'air chaud et une évacuation plus efficace par les aérateurs en toiture.
Elle quantifie le transfert radiatif du four vers les parois, distinct de la convection. Elle a identifié trois zones (façade nord, mur face au four, toiture basse) recevant jusqu'à 75 °C, pouvant représenter un risque pour les opérateurs.
Placé au plus près de la source chaude, il évacue par tirage thermique l'air chargé en calories avant qu'il ne se répande sous le toit. Le débit d'extraction total reste quasi constant, mais l'air chaud sort plus vite et plus près du four.
La caméra thermique mesure les températures réelles des surfaces sur site ; les confronter aux résultats de la simulation permet de vérifier la cohérence du modèle et de le calibrer avant d'explorer des scénarios non réalisés.
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L'étude réalisée porte sur le placement optimal des aérations afin d'améliorer le confort thermique de l'usine d'Aluminium Dunkerque qui utilise un système de refroidissement par ventilation naturelle. L'objectif est de déterminer si le système d'aération actuel est suffisant pour l'ajout d'un 8ème four et, le cas échéant, de proposer des solutions. Différentes mesures préliminaires ont été réalisées, telles que des tests fumigènes pour observer les mouvements d'air, des mesures de températures et des images thermiques pour identifier les sources de chaleur. Ces données ont été utilisées pour créer un modèle 3D de l'usine dans lequel des simulations numériques CFD ont été effectuées. Les simulations CFD permettent d'étudier les écoulements de fluides et de simuler les conditions aérauliques et thermiques de l'usine. Les résultats ont montré que l'ajout de certains aérateurs permettrait une évacuation plus rapide et ciblée de l'air chaud, améliorant ainsi le fonctionnement aéraulique du site. En conclusion, cette étude a permis de déterminer le placement optimal des aérations pour améliorer le confort thermique de l'usine d'Aluminium Dunkerque en vue de l'ajout d'un 8ème four. Les résultats des simulations CFD ont apporté des recommandations précises pour optimiser l'efficacité énergétique et le bien-être des opérateurs de l'usine.
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