Modélisation par simulation numérique de la ventilation des silos-tours en tenant compte de la chute
Type de document
Rapports de recherche scientifique
Année de publication
2014
Langue
Français
Résumé
Les silos à fourrage sont des espaces clos où surviennent des accidents graves et mortels. Certains de ces accidents sont liés à une atmosphère déficiente en oxygène (O2) en raison de la présence de gaz carbonique (CO2), ou encore à celle de gaz toxiques, dont le dioxyde d’azote (NO2). Ces gaz sont produits lors du processus de fermentation des fourrages.
À la demande de la Commission de la santé et de la sécurité du travail (CSST) et de l’Union des producteurs agricoles (UPA), une étude sur la documentation des gaz toxiques lors de la fermentation du fourrage et sur la ventilation mécanique par soufflage des silos verticaux utilisés pour l’ensilage a été réalisée. Les résultats de cette étude sont publiés dans le rapport R-672, La prévention des intoxications dans les silos à fourrage, disponible sur le site internet de l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST).
Cette première étude portant sur la ventilation des silos avait été effectuée au moyen de la simulation numérique fluide (Computational fluid dynamics, CFD). Cette méthode numérique avait été validée à partir des comparaisons avec des données expérimentales obtenues dans un silo à échelle réduite conçu par l’IRSST. Étant donné que la fermentation du fourrage se fait habituellement de façon anaérobique, toutes les portes communicantes entre le silo et la chute étaient considérées fermées lors de ces simulations. En conséquence, le modèle mathématique général et le modèle simplifié qui ont été obtenus pour estimer le temps de soufflage ont uniquement tenu compte de l’espace libre dans le silo, la ventilation dans la chute n’ayant pas été considérée.
La présente étude est donc un complément à l’étude précédente avec l’inclusion de la chute dans le domaine de calcul. Un nouveau modèle mathématique général est donc proposé, tenant compte du volume total de l’espace à ventiler, soit le volume du silo et le volume de la chute. Il est maintenant démontré que le temps estimé avec chute change légèrement par rapport au temps estimé sans chute. Il est donc suggéré d’utiliser la nouvelle équation puisqu’elle représente mieux la réalité.
Afin de déterminer si l’équation simplifiée déjà proposée pouvait quand même servir, elle a été comparée avec le nouveau modèle mathématique général. Cette comparaison a établi que le modèle simplifié est toujours valide. Une simulation numérique, CFD, a été pratiquée pour les cas extrêmes, c’est-à-dire quand le volume de la chute est significatif par rapport au volume libre dans le silo, les résultats ont démontré que, lorsque le rapport des volumes chute / silo est supérieur à 0,4 (cas extrême), le temps nécessaire pour sécuriser la chute est supérieur à celui du silo de l’ordre de 10 %. Ceci n’a pas d’impact sur l’équation simplifiée puisqu’elle est toujours plus conservatrice que le temps estimé par le modèle général et les calculs numériques. Le modèle simplifié reste toujours valable même pour les configurations extrêmes.
Abstract
Forage silos are enclosed areas where serious and even fatal accidents occur. Some of these accidents are caused by an atmosphere deficient in oxygen (O2) -- a deficiency resulting from the presence of carbon dioxide (CO2) -- or from the presence of toxic gases, including nitrogen dioxide (NO2). These gases are produced during the fermentation of forage.
At the request of the Commission de la santé et de la sécurité du travail (CSST) and the Union des producteurs agricoles (UPA), the IRSST conducted a study of the literature dealing with toxic gases produced during the fermentation of forage, and on mechanical ventilation by blowing, in vertical silos used for silage. The results of the study were published in Report R-672 - La prévention des intoxications dans les silos à fourrage (The Prevention of Poisoning in Forage Silos), available on the website of the Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST).
This initial study on the ventilation of silos was carried out using Computational Fluid Dynamics (CFD). This numerical method had been validated using comparisons with experimental data obtained in a reduced-scale silo designed by the IRSST. Given that forage fermentation usually occurs anaerobically, all interconnecting gates between the silo and the chute were considered closed during these simulations. Consequently, the general mathematical model and the simplified model that were obtained to estimate blowing time only took into account the free space in the silo, without considering the ventilation in the chute.
By contrast, since its calculation includes the chute, the present study complements the previous one. It proposes a new general mathematical model, taking into account the total volume of the space to be ventilated, i.e., the volume of the silo plus the volume of the chute. It has now been demonstrated that the estimated time, including the time that has elapsed in the chute, changes slightly compared to the estimated time not including the time in the chute. It is therefore suggested that the new equation be used, since it better reflects the real situation.
To determine whether the previously proposed simplified equation could still be used, it was compared with the new general mathematical model. The comparison found that the simplified model is still valid. A numerical simulation, CFD, was performed for extreme cases: when the volume in the chute is significant compared with the free volume in the silo, the results demonstrated that, with a ratio of chute/silo volumes greater than 0.4 (extreme case), the time required to secure the chute was greater than that of the silo by about 10%. This has no impact on the simplified equation since it is still more conservative than the time estimated by the general model and the numerical calculations. The simplified model remains valid even in extreme configurations.
ISBN
9782896317240
Mots-clés
Silo à fourrage, Fodder silo, Gaz toxique, Toxic gas, Étude de la ventilation, Ventilation design, Mesure de la vitesse, Velocity measurement, Modèle mathématique, Mathematical model, Oxygène, Oxygen, CAS 7782447, Dioxyde de carbone, Carbon dioxide, CAS 124389, Québec
Numéro de projet IRSST
2011-0002
Numéro de publication IRSST
R-818
Citation recommandée
Bahloul, A., Villalpando, F., Chavez Yanez, M., Reggio, M. et Goyer, N. (2014). Modélisation par simulation numérique de la ventilation des silos-tours en tenant compte de la chute (Rapport n° R-818). IRSST.