Étude thermo-aéraulique CFD du remplacement d'un four de fusion de silice par un four électrique : cartographie du rayonnement sur les structures, protection des poutres et confort thermique des opérateurs.
L'expertise d'EOLIOS en simulation CFD et en analyse thermique des structures a joué un rôle déterminant dans l'étude d'un four industriel générant un rayonnement intense sur les poutres métalliques, entraînant des risques de déformation. Notre savoir-faire a permis de cartographier les températures structurelles et de prévoir les zones de surchauffe, tout en évaluant le confort thermique des employés, pour optimiser la sécurité des installations et assurer des conditions de travail acceptables.
L'essentiel. Pour préparer le remplacement d'un four à fioul par un four électrique plus puissant, EOLIOS a mené une étude thermo-aéraulique CFD du hall de production de silice. Deux enjeux : protéger les poutres métalliques du rayonnement de la coulée (jusqu'à 480 °C simulés sans protection) et préserver le confort des opérateurs. Pare-rayonnements en U isolés, rideaux thermiques et ouverture de façade ramènent les poutres sous 100 °C et l'air de travail proche de l'extérieur.
Sur un site industriel dédié à la fabrication de silices techniques, utilisées dans des secteurs variés comme les pneumatiques ou la cosmétique, le procédé repose sur la fusion de silicate de sodium à haute température. Une fois porté à environ 1200 °C, le matériau en fusion est dirigé vers des lingotières, où il est refroidi par projection d'eau avant d'être temporairement stocké en fosse.
Dans le cadre d'une transition énergétique, le site prévoit le remplacement d'un four à fioul existant par un four électrique de nouvelle génération, plus performant et moins émissif. Cette évolution technologique s'accompagne toutefois de nouveaux défis, notamment liés à l'augmentation de la puissance thermique, à l'élévation des températures rayonnées et aux risques d'échauffement structurel dans une halle partiellement ouverte.
C'est dans ce contexte qu'EOLIOS est intervenu pour réaliser une étude thermo-aéraulique complète. L'objectif : évaluer de manière précise l'impact thermique du futur four sur l'environnement immédiat, en s'appuyant sur une modélisation numérique avancée (CFD) et sur un audit in situ des conditions existantes. L'analyse a porté sur deux volets : une première phase consacrée à la configuration actuelle de l'installation, servant de référence de comparaison, et une seconde dédiée à la conception du projet, intégrant des simulations fines de rayonnement et de circulation d'air.
L'étude visait à répondre à plusieurs enjeux : garantir la tenue mécanique des poutres exposées au rayonnement, préserver le confort thermique des opérateurs et anticiper les éventuels besoins d'ajustement en matière de ventilation naturelle ou mécanique. Dans un environnement à haute inertie thermique, l'optimisation du comportement aéraulique et des protections passives devient un levier stratégique de performance et de durabilité.
Le remplacement du four à fioul par un four électrique de plus forte capacité induit une intensification du process thermique, avec des températures de fusion toujours voisines de 1200 °C et un débit doublé. Le principal enjeu identifié concerne le rayonnement thermique généré par le verre en fusion, notamment à la sortie des becs de coulée. Ce rayonnement affecte directement les structures porteuses du bâtiment, et en particulier les poutres métalliques situées au-dessus des lingotières. Or, ces éléments sont dimensionnés pour des températures limites qui peuvent être localement dépassées, comme l'ont montré les relevés thermographiques effectués lors de l'audit initial. Le risque n'est pas seulement mécanique : il concerne aussi la durabilité des matériaux, la tenue des fixations et la fiabilité des équipements situés à proximité.
Le rayonnement thermique est le transfert de chaleur par ondes électromagnétiques, sans contact ni air interposé. Un corps très chaud comme le verre en fusion émet un flux qui échauffe à distance les surfaces exposées, ici les poutres au-dessus de la coulée. Un pare-rayonnement réfléchissant intercepte ce flux.
En parallèle de ces problématiques de rayonnement, le fonctionnement du four génère une circulation d'air ascendante puissante, liée au dégagement de chaleur intense dans un bâtiment largement ouvert sur l'extérieur. La dynamique des flux d'air est complexe : tirage thermique naturel, vitesse du vent, formes du bâtiment, plateformes suspendues et obstacles mécaniques interagissent pour produire des zones de recirculation ou de stagnation de calories dans des secteurs localisés, souvent critiques pour l'exploitation. Les simulations ont ainsi mis en évidence des veines d'air chaud longeant certaines parois, des échauffements résiduels dans les zones de fosses ou de ventilation, et des différenciations importantes entre le nord et le sud de la halle.
Enfin, ces phénomènes impactent directement les conditions de travail dans les espaces occupés. L'absence d'ouverture au sud, l'ajout de bâches destinées à limiter les poussières ou la configuration des fosses peuvent conduire à des surchauffes localisées dans certaines zones sensibles du bâtiment : plateformes de coulée, zones de circulation, mezzanines ou locaux techniques. Des écarts de température de +10 à +15 °C par rapport à l'extérieur ont pu être identifiés dans certains cas. Cette situation peut générer une gêne thermique pour les opérateurs, voire des contraintes sur les équipements, d'autant plus dans les conditions estivales modélisées.
Avant toute modélisation, une mission d'audit aéraulique et thermique a été réalisée sur site par les ingénieurs d'EOLIOS. Cette phase initiale a permis de collecter des données précises sur les conditions d'exploitation réelles de la halle de production. Des relevés à la caméra thermographique ont été effectués afin d'identifier les zones soumises à de fortes températures, notamment autour des poutres porteuses, de la coulée et des fosses. En complément, des tests fumigènes ont permis de visualiser les flux d'air, confirmant la présence de veines ascendantes d'air chaud et de zones de stagnation. L'ensemble de ces informations, associé à des relevés géométriques réalisés au mètre laser, a servi de base à la construction du modèle 3D.
Le modèle CFD a été développé à partir des plans fournis, des photos prises lors de l'audit et d'un relevé de site détaillé. L'objectif était de représenter fidèlement les volumes, structures et équipements influençant les écoulements d'air et les échanges thermiques. Le modèle intègre notamment les plateformes, poutres, fosses de refroidissement, ouvertures sur l'extérieur, rideaux, ainsi que les futures installations projetées autour du four électrique.
Le maillage numérique, de type hybride, atteint plusieurs dizaines de millions de cellules, avec un raffinement local dans les zones critiques : autour de la coulée, sous les plateformes et au niveau des gaines de soufflage. Ce niveau de détail assure une restitution fidèle des gradients thermiques et aérauliques, tout en garantissant la stabilité numérique du calcul.
Les conditions aux limites ont été établies à partir des données de l'audit et des valeurs fournies par la maîtrise d'ouvrage. Les sources thermiques principales intégrées au calcul sont les suivantes :
Le verre en fusion, modélisé de 1200 °C à 300 °C sur la longueur de la lingotière.
Les parois du four, autour de 80 °C.
Les fosses, de 250 °C à 50 °C selon la zone.
Les équipements en mouvement, comme les convoyeurs, autour de 70 °C.
Les échanges convectifs avec les parois, la nature des matériaux (acier, silice, laine de roche) et la température extérieure de 38 °C ont été intégrés dans le calcul. La simulation a été réalisée en régime stationnaire, permettant une lecture stabilisée des distributions de température et de vitesse d'air dans l'ensemble du bâtiment.
Des configurations multiples ont été testées afin de comparer différentes variantes :
Présence ou non d'isolant sous les plateformes.
Intégration de pare-rayonnements de formes variées (trapézoïdaux, plats, en U).
Ajout ou non de ventilateurs localisés.
Modification de l'ouverture des façades pour améliorer le balayage d'air.
L'ensemble des simulations a été réalisé à l'aide d'un solveur CFD industriel basé sur les équations de Navier-Stokes, avec un modèle de turbulence k-ε standard, particulièrement adapté aux environnements de ventilation interne. Ce modèle permet de reproduire les phénomènes de stratification, de recirculation et d'accélération des masses d'air dans des géométries complexes comme celle du site étudié.
Un soin particulier a été apporté à la convergence des calculs, avec un seuil de précision de 10⁻⁴ sur les résidus, garantissant la fiabilité des résultats et la stabilité du modèle.
Le modèle de turbulence k-ε résout l'énergie cinétique turbulente et sa dissipation ; c'est un standard robuste pour la ventilation interne. En régime stationnaire, le calcul cherche l'état d'équilibre des températures et des vitesses, sans suivre l'évolution dans le temps.
Les simulations réalisées autour du nouveau four électrique ont mis en évidence une élévation marquée des températures dans les zones situées à proximité de la coulée. Les poutres métalliques situées sous la plateforme atteignent, dans certaines configurations, des températures supérieures à 300 °C, notamment lorsque l'air chaud rayonné ne peut pas s'évacuer librement.
En l'absence de dispositif de protection, les poutres les plus exposées subissent directement le rayonnement thermique de la coulée, avec des valeurs maximales mesurées entre 320 °C et 480 °C selon les cas simulés. Ces températures dépassent les limites de conception de certaines structures, engendrant des risques potentiels de déformation, de perte de résistance mécanique ou de dilatation excessive.
Un pare-rayonnement est un écran, souvent en aluminium poli avec renfort isolant, placé entre la source chaude et l'élément à protéger. Il réfléchit la majeure partie du rayonnement incident et, en forme de U inversé, guide l'air chaud vers des zones de dissipation éloignées des postes de travail.
L'étude a comparé plusieurs variantes de conception pour limiter cet échauffement. Dans les cas où un isolant est placé sous la plateforme, les températures sous celle-ci augmentent, du fait d'une moindre évacuation de la chaleur. À l'inverse, l'ajout de pare-rayonnements en aluminium avec renfort isolant, placés entre la coulée et les poutres, permet de protéger efficacement la structure.
Les configurations avec pare-rayonnement horizontal ou en U montrent une réduction de température significative, avec des poutres ramenées sous les 160 °C, voire 100 °C dans les zones protégées.
Par ailleurs, la forme du pare-rayonnement influe directement sur l'orientation des flux thermiques : les versions en U inversé permettent de guider les masses d'air chaudes vers des zones de dissipation, loin des postes de travail. Les solutions intégrant un isolant thermique sur le dessus des pare-rayonnements réduisent le rayonnement secondaire vers les structures et protègent efficacement les éléments supérieurs tels que le caillebotis ou les bras de convoyeurs.
À l'échelle du hall, les simulations ont révélé une stratification thermique importante, avec des températures variant de 38 °C à 52 °C entre le sol et la toiture. Les zones les plus affectées sont situées au sud du four, dans des secteurs initialement peu ventilés, où des stagnations de calories ont été constatées. Dans ces zones, le delta thermique peut atteindre +12 °C par rapport à l'extérieur, ce qui impacte le confort et les conditions de travail.
L'ajout d'une ouverture en façade sud-est, recommandé par EOLIOS, a permis d'introduire un flux d'air neuf dans les simulations. Cette modification réduit les températures dans la zone critique à environ 43 °C et améliore nettement la circulation d'air. Par ailleurs, des rideaux thermiques positionnés autour des zones de coulée ont démontré leur efficacité pour protéger les opérateurs du rayonnement direct.
La configuration finale, intégrant l'ensemble des dispositifs recommandés par EOLIOS (pare-rayonnements en U avec isolant, rideaux thermiques, ventilateurs localisés, ouverture en façade), permet de ramener les températures des poutres à des niveaux compatibles avec leur usage courant, tout en assurant des ambiances acceptables au niveau du personnel.
Les résultats montrent des températures de poutres inférieures à 100 °C dans la majorité des cas, avec quelques pointes à 115 à 150 °C dans les zones les plus proches des becs de coulée. L'air ambiant dans les zones de travail est globalement proche de la température extérieure (38 à 40 °C), et les panaches thermiques sont bien canalisés en toiture, loin des postes occupés.
Cette solution équilibrée permet de réduire significativement les contraintes thermiques sur les structures tout en maintenant un bon niveau de confort thermique dans l'environnement immédiat du process.
À retenir. Sur un procédé à très haute température, la protection passive prime : intercepter le rayonnement à la source (pare-rayonnements) coûte moins et protège mieux que sur-ventiler tout le hall. La CFD sert à placer ces écrans au bon endroit et à vérifier qu'ils n'enferment pas la chaleur ailleurs.
Grâce à son expertise en ingénierie thermo-aéraulique et à la mise en œuvre d'outils de simulation numérique avancée (CFD), EOLIOS a permis à l'exploitant du site de production de silice d'anticiper avec précision les effets thermiques liés à l'installation d'un nouveau four électrique de haute puissance.
L'étude conduite a mis en lumière les zones sensibles à l'échauffement et les dynamiques de flux d'air complexes au sein de la halle, tout en identifiant des leviers d'amélioration concrets pour renforcer la sécurité structurelle, le confort des opérateurs et la durabilité des équipements.
En proposant une solution globale intégrant pare-rayonnements optimisés, ventilation naturelle et mécanique adaptée, et amélioration des ouvertures de façade, EOLIOS a contribué à garantir la réussite du projet dans une logique de transition énergétique maîtrisée. Cette intervention illustre la capacité d'EOLIOS à accompagner les industriels dans leurs projets les plus exigeants, en combinant analyse de terrain, modélisation numérique de haut niveau et ingénierie appliquée.
Projet : étude de la ventilation naturelle d'une usine sidérurgique Savoir-faire : les phénomènes thermo-aérauliques dans l'industrie Projet : dimensionnement d'une cheminée industrielleRayonnement de la coulée, échauffement des structures et confort thermique dans un hall de production à haute température.
Le verre en fusion à 1200 °C émet un rayonnement intense qui échauffe à distance les poutres situées au-dessus, jusqu'à 320 à 480 °C simulés sans protection, au-delà de leurs limites de conception. Le risque est la déformation et la perte de résistance mécanique. Un enjeu proche a été traité sur notre projet ventilation naturelle d'une usine sidérurgique.
Placés entre la coulée et les poutres, les pare-rayonnements en aluminium avec renfort isolant réfléchissent le rayonnement et protègent la structure. Les configurations en U ramènent les poutres sous 160 °C, voire 100 °C dans les zones protégées, en guidant l'air chaud vers des zones de dissipation.
Le hall présente une stratification de 38 à 52 °C entre sol et toiture. L'ajout d'une ouverture en façade sud-est introduit de l'air neuf et ramène la zone critique vers 43 °C ; des rideaux thermiques autour de la coulée protègent les opérateurs du rayonnement direct.
Les relevés à la caméra thermographique localisent les zones chaudes (poutres, coulée, fosses) et les tests fumigènes visualisent les flux d'air. Associés aux relevés géométriques au mètre laser, ils calent le modèle CFD sur les conditions réelles du site.
Le procédé fonctionne en continu à des conditions quasi constantes ; l'état d'équilibre thermique et aéraulique suffit à dimensionner les protections. Le régime stationnaire, avec un modèle k-ε et une convergence des résidus à 10⁻⁴, donne une lecture stabilisée des températures et des vitesses.
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L'étude thermo-aéraulique menée par EOLIOS a permis de caractériser les effets du nouveau four électrique sur l'environnement du site, tant sur les structures que sur le confort des opérateurs. Grâce à une modélisation CFD détaillée et à un audit terrain approfondi, les zones d'échauffement, de stagnation d'air et de rayonnement excessif ont été identifiées. Les solutions proposées — pare-rayonnements, amélioration de la ventilation et protections thermiques — assurent la sécurité des structures, la maîtrise des ambiances de travail et la pérennité des installations.
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