Advanced system for air diffusion in the private quarters of the astronauts on the International Space Station

La présente thèse visait à étudier et à améliorer par une démarche expérimentale et numérique, le système de ventilation à bord des cabines privées (Crew Quarters, CQ) du Node 2 de la Station Spatiale Internationale (ISS). Ce travail a été motivé par les incidents d'intoxication des astronautes au CO₂ à bord de l'ISS, rapportés par la NASA. L’absence de convection naturelle en microgravité conduit à une poche de CO₂ autour de la tête de l’astronaute issu de sa respiration, particulièrement gênante en périodes d’inactivité (sommeil) dans le CQ. Il s’avère ainsi que le système de ventilation mécanique général en place dans le CQ ne semble pas jouer effacement son rôle de renouvellement d’air. S’ajoute à ce problème, une nuisance acoustique liée aux ventilateurs, en particulier à haut débit de ventilation. La stratégie d’amélioration du système de ventilation proposée vise à simplifier le circuit actuel, en remplaçant les ventilateurs axiaux (désignée par solution AF) par des ventilateurs tangentiels (désignée par solution CFF) plus silencieux. Cette modification simple et de mise en œuvre aisée du circuit, permet de réduire la perte de charge et gagner de l’espace dans le CQ. Cette solution offre par ailleurs la possibilité d’enrichir à faible coût le système de ventilation générale par une ventilation personnalisée (PV). La PV disperse le CO₂ en zone de respiration et alimente la fonction respiratoire de l’astronaute par de l’air purifié. Le CQ a été simulé par une maquette expérimentale échelle 1 et son jumeau numérique sous FLUENT. La maquette expérimentale (sur terre) a permis la validation du jumeau numérique en tenant compte de l’effet de la gravité. Le modèle numérique ainsi validé, a permis l’optimisation du système de ventilation hors effet de gravité. L’astronaute simulé numériquement dans la cabine est muni d’une fonction respiratoire sinusoïdale avec génération de CO₂. Une première analyse numérique de l’accumulation du CO₂ dans le CQ occupé et non ventilé a été conduite avec et sans effet de gravité. Des mesures expérimentales sur des sujets humains dans la maquette expérimentale ont permis de valider la démarche. Les résultats ont prédit avec succès les niveaux d’accumulation de CO₂ et ont aidé à délimiter spatialement la zone de respiration (BZ de Breathing Zone) de l’occupant par une analyse FFT de la signature fréquentielle de la respiration sur le champ de vitesse. Il s’en est suivi une analyse du champ de l’écoulement de la ventilation générale de la cabine et autour de l’astronaute. Un modèle expérimental à échelle réduite transparent utilisant l’eau comme fluide de travail a permis un diagnostic fin du champ de vitesse par PIV. Ces champs de vitesses ont été utilisés pour valider les résultats numériques à pleine échelle aux mêmes nombres de Reynolds. Cette étape a permis de mettre en évidence l’incapacité du système de ventilation général à traiter la zone utile, à savoir, le BZ de l’astronaute. Pour y remédier, le circuit de ventilation général a été revisité. La comparaison numérique des solutions AF et CFF a révélé que même si les champs d'écoulement n'étaient pas significativement modifiés, le CFF offre une meilleure uniformité de l’écoulement au soufflage et de meilleures performances acoustiques avec une consommation d’énergie plus faible. La solution CFF proposée offre avant tout la possibilité de mettre en œuvre une solution de ventilation personnalisée PV pour un traitement localisé de l’accumulation du CO₂ dans le BZ. Sa mise en œuvre en position latérale par rapport à la tête de l’astronaute réduit la concentration de CO₂ de l’air inhalé.This thesis aimed to study and improve, through an experimental and numerical approach, the ventilation system on board the private cabins (Crew Quarters, CQ) of Node 2 on the International Space Station (ISS). This work was motivated by incidents of CO₂ intoxication reported by astronauts aboard the ISS. The lack of natural convection in microgravity leads to a pocket of CO₂ forming around the astronaut's head due to his breathing, which is particularly troublesome during periods of inactivity (sleep) in the CQ. It turns out that the general ventilation system in place in the CQ does not seem to play its role in air renewal. In addition to this problem, there are noise complaints associated with the fans, especially at high ventilation rates. The proposed ventilation system improvement aims to simplify the current ventilation circuit, replacing the axial fans (referred to as the AF solution) with tangential fans (referred to as the CFF solution) which are quieter. This simple and easy-to-implement circuit modification reduces pressure drops and saves CQ space. This solution also offers the possibility of further improving the general ventilation system at a low cost, by adding personalized ventilation (PV). PV disperses CO₂ in the breathing zone and supplies the fresh air directly to the astronaut’s breathing zone. A full-scale experimental model of the CQ was built and studied alongside its numerical counterpart with FLUENT. The experimental mock-up (on Earth) enabled the validation of the numerical model taking into account the effect of gravity. The numerical model, thus validated, enabled us to optimize the ventilation system in the absence of gravity. The numerically simulated astronaut in the cabin features a sinusoidal breathing function which is the source of CO₂ generation. A first numerical analysis of CO₂ accumulation in the occupied and unventilated CQ was conducted with and without gravitational acceleration. Experimental measurements on human subjects in the full-scale model made it possible to validate the approach. The results successfully predicted CO₂ build-up levels and helped spatially delineate the occupant's Breathing Zone (BZ) by the FFT analysis of the velocity fields in relation to the breathing frequency.This wa s followed by an analysis of the flow field of the CQ’s general ventilation around the astronaut. A transparent reduced-scale experimental model using water as the working fluid allowed a fine evaluation of the velocity fields by PIV. These velocity fields were used to validate full scale numerical results at the same Reynolds numbers. This step highlighted the reduced effectiveness of the general ventilation system in renewing the air in the astronaut's BZ. To remedy this, the general ventilation circuit has been revised. Numerical comparison of the AF and CFF solutions revealed that although the flow fields were not significantly changed, the CFF offers better diffuser flow uniformity and better acoustic performance with lower power consumption. Above all, the proposed CFF solution offers the possibility of implementing a customized PV solution for localized air renewal and CO₂ flushing in the BZ. Its implementation in a lateral position relative to the astronaut's head successfully reduced the concentration of CO₂ in the inhaled air

An alternative air distribution solution for better environmental quality in the ISS crew quarters

International audienceThis article presents the study of a ventilation solution using cross-flow fans for the crew quarters (CQ) aboard the International Space Station. Currently the CQ uses two axial fans for ventilation, which occasionally generate insufficient flow rate or acoustic issues. A ventilation circuit using two cross-flow fans was designed, its acoustic performance was measured and the flow was investigated via CFD by using the measured cross-flow fan operating curves as boundary conditions. The acoustic performance of the fans was evaluated in isothermal conditions, under the assumption that the heat generated by the occupants and equipment would produce negligible thermal buoyancy effects in microgravity on the station. Future studies will investigate how the internal heat generated in the enclosure affects the thermal comfort conditions of the occupants. After a comparison between the axial and cross-flow fan systems, results indicate that the latter provides better acoustic parameters for the same flow rate with less energy consumption

Numerical study of the flow inside a wind trapping system

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Experimental Study of Carbon Dioxide Accumulation on a Model of the Crew Quarters on the ISS

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Numerical Prediction of Carbon Dioxide Accumulation in the International Space Station Crew Quarters

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Design of a Small-Scale Experimental Model of the International Space Station Crew Quarters for a PIV Flow Field Study

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Numerical study of a particle-laden flow in a harsh environment testing facility

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Personalized Ventilation as a Possible Strategy for Reducing Airborne Infectious Disease Transmission on Commercial Aircraft

In the last decade, there has been an increase in ease and affordability of air travel in terms of mobility for people all around the world. Airplane passengers may experience different risks of contracting airborne infectious diseases onboard aircraft, such as influenza or severe acute respiratory syndrome (SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2), due to nonuniform airflow patterns inside the airplane cabin or proximity to an infected person. In this paper, a novel approach for reducing the risk of contracting airborne infectious diseases is presented that uses a low-momentum personalized ventilation system with a protective role against airborne pathogens. Numerical simulations, supported by nonintrusive experimental measurements for validation purposes, were used to demonstrate the effectiveness of the proposed system. Simulation and experimental results of the low-momentum personalized ventilation system showed the formation of a microclimate around each passenger with cleaner and fresher air than produced by the general mixing ventilation systems

Numerical study of the secondary phase dispersion in a particle-laden flow

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Numerical Study for the Improvement of the Ventilation System of the Crew Quarters on Board the International Space Station

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