Particules non sphériques en écoulement turbulent : quel jeu de forces hydrodynamiques doit-on utiliser ?

Notre travail considérait jusqu’à maintenant la dispersion de particules sphériques en écoulement turbulent. Nous l’avons quantifiée par des statistiques propres à la dispersion (vitesse moyenne, profil de concentration, vitesse d’agitation de particules solides, covariances fluide particules, etc.). Qu’en est-il lorsqu’on travaille avec des particules non sphériques ? C’est l’objectif de ce présent travail. On propose ici de s’intéresser au jeu de forces hydrodynamiques qui peuvent s’exercer sur des particules non sphériques en écoulement turbulent. En effet, on connaît bien ce jeu de forces lorsque les particules sont sphériques. La force de traînée est très connue quelque soit le nombre de Reynolds, la force de portance est quand à elle spécifiée pour des écoulements en milieu infini. Peu de personnes utilisent le couple dans la modélisation de la dispersion des particules. C’est pourquoi, nous proposons dans cette étude préliminaire de donner des informations sur ce type de forces pour des géométries particulières de particules solides de type ellipsoïde et sphérocylindre. La littérature sur ce type de particule est assez riche d’information depuis les travaux de Brenner (1963) mais paradoxalement, elle reste dénuée d’informations essentielles. Les corrélations existantes sur ce jeu de force pour des particules de ce type ne sont pas pertinentes et comporte de nombreuses erreurs. (Les facteurs de formes généralement introduits dans ces corrélations sont incomplets ou compliqués à déterminer pour décrire la particule et prendre en compte son orientation). En effet, il parait indéniable de prendre l’influence des facteurs de forme, d’orientation de la particule par rapport à l’écoulement turbulent et enfin l’inertie de la particule au sein d’une même corrélation. Une classification selon plusieurs critères sera exposée et examinée, des résultats sur les forces seront présentées ainsi que sur l’écoulement situé en aval des particules (sillage). Nous serons donc en mesure de faire un choix décisif sur les corrélations à utiliser dans notre code DNS/DPS (Simulation Numérique Directe couplée à un suivi lagrangien) afin d’entamer l’étude de la dispersion de particules non sphériques

Collision brownienne: un nouvel outil stochastique

Le cadre général du travail est d'étudier la formation d'agglomérats dans un écoulement turbulent fluide (gaz ou liquide). Les dimensions initiales des particules solides considérées sont de taille sub-micronique. La résolution exacte de l'agglomération passe par une étape de prédiction de la collision, qui pour les inerties des particules considérées doit prendre en compte le caractère aléatoire du mouvement Brownien. Une nouvelle méthode pour la détection des collisions, adaptée aux suivi Lagrangien des particules colloïdales, est proposée ainsi qu'une validation sur un cas test numérique

Modélisation stochastique du dépôt de particules colloïdales transportées par des écoulements turbulents en géométrie complexe

Notre étude a pour objectif de modéliser le dépôt de particules colloïdales transportées par des écoulements turbulents en géométrie complexe dans le cadre des méthodes Lagrangiennes stochastiques. Nous présentons l’amélioration d’un modèle de dépôt de particules développé par Minier & Guingo (2008) dans le cas de géométries simples (canal plan, tuyau). Il s’agit d’un modèle de dépôt de proche paroi (MDP) construit à partir d’une approche phénoménologique qui intègre deux principales structures turbulentes de l’écoulement en proche paroi (de type « sweep » et « ejection »), qui favorisent le transport d’une particule vers la paroi. Le reste de l’écoulement, dont les caractéristiques physiques varient peu (contrairement à la zone de proche paroi), est modélisé par un modèle de Langevin généralisé (MLG) (Minier & Peirano 2001). Le travail de généralisation aux géométries plus complexes (tuyau coudé, etc.) porte sur le couplage entre les deux modèles décrits précédemment. Le raccord entre le MDP et le MLG est assuré par l’équilibre du flux de particules qui traversent l’interface entre les deux modèles. La validation du couplage s’effectue par le passage en particules fluides (particules dont l’inertie tend vers zéro), il s’agit de vérifier que le raccord est valable dans le cas limite du fluide. En effet, des accumulations non physiques de particules fluides (« spurious drift ») peuvent se produire autour de l’interface. Le travail de couplage a donné lieu à des développements théoriques et numériques sur les statistiques conditionnées d’une particule traversant une interface. Des calculs de dépôt sont ensuite effectués et les résultats comparés à l’expérience de Liu & Agarwal (1974). En parallèle de cette étude numérique et afin de se rapprocher encore plus des conditions industrielles, nous présenterons une étude de l’influence d’un gradient de température de l’écoulement sur la vitesse de dépôt des particules (mécanisme de thermophorèse)

Influence des structures tourbillonnaires et de la turbulence sur la dispersion des nanoparticules de carbone

L'amélioration de la qualité de l'air est devenue un enjeu majeur notamment en termes de santé publique et d'environnement. Selon l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS), la pollution de l'air était responsable de décès prématurés de 7 millions de personnes par an à travers le monde (rapport OMS 2013). Ceci est lié principalement à l'aggravation des allergies de nombreuses maladies cardiaques, pulmonaires ou encore respiratoires. Parmi les différentes sources de polluants gazeux et particulaires, le transport automobile en est le principal contributeur en zone urbaine et périurbaine. Roumegas et Saddier (2016) indiquent qu'en France le secteur routier est responsable de l'émission des NOx, des PM10 et des PM2.5 à hauteur de 54%, 16% et 19%, respectivement. Afin de limiter l'exposition à ces polluants en particulier les particules ultrafines, il est nécessaire de comprendre leur dynamique et leur interaction avec l'écoulement afin de mieux contrôler leur dispersion depuis l'émission à l'échappement. L'objectif de ce papier est de comprendre les effets des structures tourbillonnaires et de la turbulence sur la dispersion des nanoparticules dans le sillage d'un corps épais représentant un véhicule. Dans cette étude, le choix du corps s'est porté sur la forme la plus simple qu'est le cylindre circulaire (diamètre d=2,5cm), dont l'écoulement de sillage est connu. L'étude se focalise sur la simulation 2D de l'écoulement avec une approche eulérienne type URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) combinée à un suivi lagrangien des particules. Les statistiques moyennes de la turbulence sont résolues à l'aide du modèle RSM (Reynolds Stress Model) associé à un traitement proche paroi type Enhanced Wall Treatment (EWT). Ce choix repose sur une étude préliminaire comparative, avec la littérature existante, concernant, en particulier, deux paramètres caractéristiques de l'écoulement monophasique du sillage d'un cylindre, à savoir, l'angle de décollement et la longueur de recirculation. Concernant les paramètres de simulation, la vitesse d'entrée est U¥=5,56m/s. Le nombre de Reynolds associé est Re==9300 avec n la viscosité cinématique du fluide. On désigne par x la direction de l'écoulement (horizontale) et par y la direction verticale, l'origine du référentiel se trouvant au centre du cylindre. L'injecteur simulant le pot d'échappement est placé en dessous du cylindre à une position (x/d=0, y/d=- 0.62). 1000 nanoparticules de carbone de diamètre 10nm sont injectées à chaque pas de temps, qui est de 10-4s, avec un débit de 6,2510-11kg/s. Ce débit a été calculé en tenant compte de la norme EURO 6 concernant limitation des émissions des particules. Pour évaluer les influences des structures tourbillonnaires sur la dispersion, nous avons fait tourner le modèle avec et sans la présence du cylindre. Alors que les effets de la turbulence sont évalués à travers l'activation ou non du modèle d'interaction particules-turbulence (EIM). Des profils verticaux (selon la direction y) de concentration adimensionnelle en nombre de particules par maille sont ensuite obtenus pour différentes distances x à l'aval du cylindre. Les résultats de l'étude montrent que les nanoparticules tendent à être capturées par les structures tourbillonnaires qui se forment dans le sillage du cylindre ce qui entraine un élargissement transversal du champ de dispersion des nanoparticules. Cette dispersion est quasi symétrique par rapport à la ligne médiane (y=0m) pour des distances supérieures à 5 fois le diamètre d du cylindre. Par contre, la dispersion transversale est limitée sans la prise en compte de la dispersion turbulente au travers de l'activation du modèle (EIM). Ces résultats montrent l'influence des structures tourbillonnaires turbulentes dans la capture et le transport de ces nanoparticules. A cet effet, leur dynamique de dispersion est fortement liée à la structure des écoulements de sillage des obstacles/véhicules

Modélisation et simulation de l'agglomération des colloïdes dans un écoulement turbulent

Ce travail de thèse porte sur la modélisation et la simulation numérique de la collision et l'agglomération de particules colloïdales dans un écoulement fluide turbulent par une nouvelle méthode. Ces particules sont sensibles dans une même mesure aux effets brownien et turbulent. La première partie du travail concerne la modélisation du phénomène physique,allant du transport des particules jusqu'à la modélisation des forces d'adhésion physico-chimiques en passant par l'étape cruciale qui est la détection des interactions entre les particules (collisions). Cette détection des collisions est dans un premier temps étudiée par rapport aux algorithmes classiques existants dans la littérature. Bien que très efficaces dans le cadre de particules soumises à l'agitation turbulente, les conclusions de cette partie exposent les limites des méthodes existantes en termes de coûts numériques, pour le traitement d'un ensemble de colloïdes soumis au mouvement brownien. La seconde partie du travail oriente alors les travaux vers une vision novatrice du phénomène physique considéré. Le caractère diffusif aléatoire est alors considéré d'un point de vu stochastique, comme un processus conditionné dans l'espace et dans le temps. Ainsi, une nouvelle méthode de détection et de traitement des collisions de particules soumises exclusivement à un mouvement diffusif est présentée et validée, exposant un gain considérable en termes de coûts numériques. Le potentiel de cette nouvelle approche est validé et ouvre de nombreuses pistes de réflexion dans l'utilisation des méthodes stochastiques appliqués à la représentation de la physiquePh.D thesis focuses on modeling and numerical simulation of collision and agglomeration of colloidal particles in a turbulent flow by using a new method. These particles are affected by both Brownian and turbulent effects. The first part of the work deals with current models of the physical phenomenon, from the transport of single particles to a model for physico-chemical adhesive forces, and points out the critical step which is the detection of interactions between particles (collisions). This detection is initially studied by applying classical algorithms existing in the literature. Although they are very efficient in the context of particles subject to turbulent agitation, first conclusions show the limitations of these existing methods in terms of numerical costs, considering the treatment of colloids subject to the Brownian motion. The second part of this work proposes a new vision of the physical phenomenon focusing on the random diffusive behaviour. This issue is adressed from a stochastic point of view as a process conditionned in space and time. Thus, a new method for the detection and treatment of collisions is presented and validated, which represents considerable gain in terms of numerical cost. The potential of this new approach is validated and opens new opportunities for the use of stochastic methods applied to the representation of physicsNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Modélisation stochastique du dépot de particules colloïdales transportées par des écoulements turbulents isothermes et non isothermes

Ce travail concerne la généralisation d'un modèle de dépôt de particules. La première partie présente l'approche de modélisation adoptée pour simuler le dépôt de particules colloïdales et traite du raccord entre le Modèle de Langevin Généralisé qui calcule le transport des particules dans le coeur de l'écoulement et le Modèle de Proche Paroi (MPP) destiné au voisinage de la paroi. Le raccord est assuré par l'équilibre du flux de particules traversant l'interface entre les modèles. La validation est assurée par le passage en particules fluides en vérifiant que le raccord est valable dans le cas limite du fluide. Ce travail a donné lieu à des développements théoriques et numériques sur les statistiques conditionnées d'une particule traversant une interface. Des calculs de dépôt de particules montrent que le MPP reproduit correctement les résultats expérimentaux pour des écoulements isothermes. Dans un écoulement non isotherme, les particules peuvent faire l'expérience du phénomène de thermophorèse (qui est le mécanisme de déplacement des particules induit par un gradient de température) qui peut considérablement influencer le dépôt de particules. Nous avons choisi de modéliser la thermophorèse dans le MPP. Nous étudions d'abord la thermophorèse en milieu gazeux car elle est très bien expliquée par la théorie cinétique des gaz. L'étude de la thermophorèse en milieu liquide est plus ardue car elle ne dispose pas encore de théorie unifié ni de travaux expérimentaux qui étudient ce phénomène. La dernière partie est consacrée à la prise en compte du phénomène de thermophorèse en liquide dans le MPP. Cette étude fournit de nouveaux résultats numériques de dépôt en milieu liquideWe present new results obtained with the generalisation to non isothermal flows of a Near-Wall particle deposition Model (NWM). This work is divided in two parts. The first part consists in coupling the Generalised Langevin Model used to compute the particles statistics in the core of the flow with the NWM that calculates particles motion in the vicinity of the wall. In order to achieve the coupling, we focus on the balance of fluxes of fluid particles crossing the interface between the models. This amounts to assessing if the coupling is valid in the fluid limit case, as non-physical accumulation of fluid particles can occur at the interface. It has lead to theoretical and numerical developments on the conditional statistics of particles crossing an interface. The particle deposition rate is then computed with inertial particles and the model reproduces satisfactorily experimental studies in isothermal flow. In the case of non isothermal flows, particles can experience thermophoresis (which is a mechanism that induces a particle flux in the presence of a temperature gradient) that may strongly affect the particle deposition rate. We thus choose to model thermophoresis in NWM to predict accurate particule deposition in non isothermal flows. We first investigate thermophoresis in gas as it is well explained. Thermophoresis in liquids is then studied. In contrast to the gases, the theory and experiment of thermophoresis in liquids are far from being well established. The last part of this work, dedicated to the modelisation of thermophoresis in liquids in the NWM has lead to new promising numerical results of particle deposition enhanced by thermophoresisNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocMETZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Dynamique d'un aérosol de nanoparticules (modélisation de la coagulation et du transport d'agrégats)

Un modèle complet permettant de simuler la dynamique d'un nano-aérosol est présenté et discuté. On considère une équation Eulérienne de type Diffusion-Inertia réécrite en moments en incluant un terme source de coagulation. Le phénomène de dépôt est pris en compte par l'intermédiaire d'une condition aux limites sur le flux de moments à la paroi. L'expression de la granulométrie en moments permet d'obtenir une très bonne efficacité de calcul et rend ainsi le modèle utilisable pour des applications industrielles ou en santé au travail. L'implémentation de cette approche dans un code de CFD est validée sur des cas simples par comparaison avec une méthode des classes ainsi que des données expérimentales. La méthode des moments n'introduit pas de biais particulier et les résultats numériques sont en accord avec les résultats expérimentaux. Un nouveau dispositif expérimental, qui consiste en une enceinte ventilée, est également proposé afin de maîtriser au mieux l'écoulement et de caractériser la morphologie des agrégats générés. La confrontation entre les résultats numériques et expérimentaux met en évidence le fait que la détermination des paramètres fractals est un élément clé de la modélisationA complete CFD model for nano-aerosol dynamics is presented and discussed. It consists in an Eulerian "Diffusion-Inertia" equation including a coagulation source term which is rewritten in terms of moments. Deposition phenomenon is taken into account by means of a boundary condition on the flux of moments at walls. The moment transformation allows good computational performances and makes thus the model tractable for industrial and occupational health applications. The implementation of this approach into a CFD code is assessed for simple cases by comparison with sectional approach results and experimental data. These comparisons show that the method of moments does not induce particular bias and that numerical results are in good agreement with available experimental data. An experimental set-up, which consists in a ventilated chamber, is also proposed for allowing a good control of the flow and for allowing the investigation of aggregates morphology. The confrontation between numerical and experimental results highlights that the determination of the fractal parameters is a modelling key pointMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Development of Smoothed Particle Hydrodynamics approach for modelling of multiphase flows with interfaces

L'approche Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est une méthode de calcul pour simuler des écoulements fluides avec une méthode Lagrangienne de type suivi de particules. A l'inverse des méthodes Euleriennes, ce type d'approche ne nécessite pas de maillage. C'est là l'un des atouts majeurs de l'approche SPH puisqu'elle permet de s'affranchir des méthodes de suivi d'interfaces couramment utilisées dans les approches Euléeriennes (par exemple Volume-of-Fluid, Level-Set ou Front-Tracking). L'approche SPH est donc de plus en plus utilisée dans les domaines de l'hydro-ingénierie et de la géophysique notamment de part le traitement naturel des écoulements à surface libre dans la méthode SPH. Cependant, l'approche SPH n'est utilisée que depuis peu pour simuler des écoulements multiphasiques complexes et de nombreux problèmes restent en suspens, notamment concernant une formulation adéquate ou le micro-mélange aux interfaces. L'un des principaux enjeux de ces travaux de thèse est d'analyser de façon objective les différentes approches de type SPH existantes et d'évaluer leur capacité à simuler des écoulements multiphasiques complexes. Ainsi, la modélisation des phénomènes liés à la tension de surface a été réalisée et validée via l'utilisation de techniques de type Continuum Surface Force. Les phénomènes de convection naturelle ont quant à eux été modélisés grâce à une nouvelle formulation plus générale (non-Boussinesq). Une partie de ces travaux est dédiée à l'étude des problèmes de micro-mélange aux interfaces: les effets indésirables (notamment la fragmentation de l'interface) sont analysés et des solutions sont proposées. Une autre part de travail porte sur la modélisation des mouvements ascendants de bulles dans des liquides, avec l'inclusion des interactions entre bulles. Des simulations SPH ont été réalisées pour différents régimes d'écoulement, chacun d'eux correspondant à un ratio spécifique entre la tension de surface, la viscosité et la flottabilité. Les prédictions numériques de la topographie des bulles, de leur vitesse ainsi que de leur coefficient de trainée ont été validées. Pour ce faire, les résultats numériques ont été comparés non seulement aux données expérimentales de référence mais également à d'autres simulations numériques de bulles ascendantes. Dans ces travaux de thèse, une étude détaillée des concepts liés aux contraintes d'incompressibilité a été réalisée. Dans cet objectif, deux traitements différents ont été comparés: l'approche faiblement compressible (où une équation d'état adéquate est choisie) et l'approche incompressible (où une projection des champs de vitesse sur un espace sans divergence est réalisée de deux facons différentes). La pertinence de ces modèles pour des simulations d'écoulements multiphasiques est également évaluée. Les problèmes associés aux paramètres numériques sont discutés et un choix approprié de ces paramètres est proposé. Pour ce faire, de nombreux calculs de validation en deux et trois dimensions ont été réalisés. Enfin, une extension est proposée pour simuler les phénomènes liés à l'ébullition via une approche SPH. Ce sujet étant encore en friche, de nouvelles idées et schémas sont proposés pour le changement de phase liquide-vapeur dans l'approche SPHSmoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a fully Lagrangian, particle based approach for fluid-flow simulations. One of its advantages over Eulerian techniques is no need of a numerical grid. Therefore, there is no necessity to handle the interface shape as it is done in Volume-of-Fluid, Lavel-Set or Front-Tracking methods. Thus, the SPH approach is increasingly used for hydro-engineering and geophysical applications involving free-surface flows where the natural treatment of evolving interfaces makes it an attractive method. However, for real-life multi-phase simulations this method has only started to be considered and many problems like a proper formulation or a spurious fragmentation of the interface remain to be solved. One of the aims of this work is to critically analyse the existing SPH variants and assess their suitability for complex multi-phase problems. For modelling the surface-tension phenomena the Continuum Surface Force (CSF) methods are validated and used. The natural convection phenomena are modeled using a new, more general formulation, beyond the Boussinesq approximation. A substantial part of the work is devoted to the problem of a spurious fragmentation of the interface (the micro-mixing of SPH particles). Its negative effects and possible remedies are extensively discussed and a new variant is proposed. Contrary to general opinion, it is proven that the micro-mixing is not only the problem of flows with neglegible surface tension. A significant part of this work is devoted to the modelling of bubbles rising through liquids, including bubble-bubble interactions. The SPH simulations were performed for several flow regimes corresponding to different relative importance of surface tension, viscosity and buoyancy effects. The predicted topological changes, bubble terminal velocity and drag coefficients were validated with respect to reference experimental data and compared to other numerical methods. In the work, fundamental concepts of assuring the incompressibility constraint in SPH are also recalled. An important part of work is a thorough comparison of two different incompressibility treatments: the weakly compressible approach, where a suitably chosen equation of state is used, and truly incompressible method (in two basic variants), where the velocity field is projected onto a divergence-free space. Their usefulness for multi-phase modelling is discussed. Problems associated with the numerical setup are investigated, and an optimal choice of the computational parameters is proposed and verified. For these purposes the study is supported by many two- and three-dimensional validation cases. In addition, the present work opens new perspectives to future simulations of boiling phenomena using the SPH method. First ideas and sketches for the implementation of the liquid-vapour phase change are presentedNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Modélisation du captage des polluants lors des opérations de meulage

Ce travail à la fois expérimental et numérique s'inscrit dans le cadre des études menées sur le captage des polluants sur les machines tournantes et porte plus particulièrement sur la caractérisation de la dispersion des fines particules d'usinage : i.e. ces particules sont assimilées à un traceur passif du fait de leur temps de réponse aérodynamique négligeable. L'objectif recherché à travers cette étude est de développer une méthode numérique de conception des captages des polluants sur machines d'usinage. Le premier travail a donc consisté à réaliser un dispositif expérimental recréant une situation similaire à une opération de meulage, mais dans un cadre parfaitement contrôlé. L'écoulement retenu est celui engendré par un cylindre en rotation dans une veine d'essai ventilée. Un polluant particulaire, représenté par des microbilles de verre sphériques, est généré dans la veine d'essai (en utilisant un système d'ensemencement en particules), recréant ainsi les effets aérauliques des plus grosses particules d'usinage. Un gaz traceur, représentant la fraction fine de particules, est injecté simultanément avec le jet de particules via un capillaire placé à la source. Les propriétés du jet de particules obtenu sont caractérisées par vélocimétrie par suivi de particules (PTV) afin d'obtenir des données d'entrée et de validation pour les simulations numériques. La méthode de suivi de particules, mise au point dans le cadre de cette étude reste robuste même dans les zones fortement chargées en particules (i.e. la région source du jet). Le champ de vitesse de la phase gazeuse a quant à lui été caractérisé par vélocimétrie par images de particules (PIV), au moyen d'un code développé spécifiquement (Belut 2006 [4]). La dispersion d'un gaz traceur (hexafluorure de soufre - SF6) émis simultanément avec le jet de particules est ensuite étudiée expérimentalement : la dispersion d'un tel gaz est en effet jugée représentative de celle des plus fines particules d'usinage dont le temps de réponse aérodynamique est négligeable. Enfin, une modélisation complète du banc d'essai est réalisée afin de permettre une comparaison avec les résultats expérimentaux pour ainsi progresser dans la validation des modèles utilisés pour décrire la dispersion d'un traceur gazeux représentatif des fines particules. Le logiciel commercial Fluent est employé pour les simulations numériquesThis study based at the same time in experimental and numerical aspect, is part of the framework to understand deeply the capture of pollutants on rotating machines and focuses especially on the characterization of the dispersion of fine particles generated by machining operations : i.e. these particles are assimilated as a passive tracer due to their negligible aerodynamic response time. The main objective covered by this study is to develop a numerical method of close capture exhausts systems for machining devices. The first task was to achieve an experimental device re-creating a similar grinding operation in a perfectly controlled environment. The flow used is defined as the one generated by a rotating cylinder in a ventilated test rig. A pollutant of particles, represented by spherical glass beads, is produced inside the test rig (by using a seeding system of particles), recreating therefore the aerodynamic effects of largest machining particles. A tracer gas, representing the fraction of fine particles, is injected simultaneously with the jet of particles through a capillary tube placed at the source. The properties of the jet of particles obtained are characterized by particle tracking velocimetry (PTV) allowing then to obtain data input and validation of numerical simulations. This particle tracking technic, developed in this study remains as robust method even in heavily loaded particles (i.e. the source region of the jet). The velocity field of the gas phase has meanwhile been characterized by particle image velocimetry (PIV), using a code developed specifically for this assay (Belut 2006 [4]). The dispersion of a tracer gas (sulfur hexafluoride - SF6) emitted simultaneously with the jet of particles is then studied experimentally : the dispersion of such a gas is indeed considered representative of finest particles which aerodynamic response time is negligible. Finally, a complete modeling of the experimental test rig is performed to allow comparison with experimental results in order to progress in the validation of models used to describe the dispersion of a tracer gas representative of finest particles. The commercial soft ware FLUENT is used for numerical simulationsMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Étude des Mécanismes de Transfert des Nanoparticules au travers d'une Barrière de Confinement Dynamique

Les travaux de thèse ont permis de quantifier l'efficacité de confinement de deux dispositifs distincts (un poste de sécurité microbiologique et une sorbonne classique) lors de la production simultanée de nanoaérosols et d'un gaz traceur (SF6). Deux techniques de mesure différentes ont été exploitées : la première basée sur la mesure de la distribution granulométrique de l'aérosol s'échappant (SMPS-C), l'autre reposant sur la détection de fluorescence d'échantillons prélevés (fluorescéine sodée utilisée comme marqueur des nanoparticules). Les résultats ont permis d'établir une forte corrélation entre le comportement d'un nanoaérosol et celui d'un gaz traceur lorsqu'ils sont émis simultanément dans une enceinte ventilée. Plus encore, on a observé une rétrodiffusion gazeuse quasiment deux fois plus importante pour le gaz traceur que pour les nanoparticules testées dans différentes configurations. Le dépôt ainsi que l'agglomération présents dans le cas du transport d'un nuage de nanoparticules peuvent expliquer ces écarts dans le niveau global de confinement obtenu. Cependant, ce constat n'est pas un gage de protection suffisante dans la mesure où il n'existe pas de valeur spécifique de référence lors de l'exposition à des nanoparticules. Il est alors utile de respecter les règles de bonne conduite qui ont été définies dans de nombreux guides INRS ou au travers de multiples études de l'IRSN. En plus de ces études expérimentales, le banc d'essai développé à l'INRS a fait l'objet d'une simulation numérique permettant de valider un modèle eulérien de transport et de dépôt implémenté dans un code de CFD destiné à modéliser le comportement d'un nanoaérosol. Les résultats numériques/expérimentaux sont concordants ; les ordres de grandeur des niveaux de confinement atteints sont comparablesThe thesis works have enabled us to quantify the containment efficiency of two devices (a microbiological safety cabinet and classical fume hood) during the simultaneous production of nanoaerosols and a tracer gas (SF6). Two different measurement techniques were used: the first based on the measurement of particle size distribution of the escaping aerosol (SMPS-C), the other based on the detection of fluorescence of samples (sodium fluorescein used as marker of nanoparticles). The results have established a strong correlation between the behavior of a nanoaerosols and the tracer gas when they are emitted simultaneously in a ventilated enclosure. More, we observed that tracer gas back diffusion was almost twice greater than for nanoparticles back diffusion in all the tested configurations. The deposit and the agglomeration present in the case of transport of a cloud of nanoparticles can explain these differences in the overall level of containment. However, this observation does not guarantee sufficient protection since there is no specific reference value for nanoparticle exposure. It is useful to observe the guidelines that have been defined in many INRS publications or through IRSN studies. In addition to these experimental studies, the test-rig developed at INRS has been numerically simulated to validate an eulerian transport and deposition model implemented in a CFD code for modeling the behavior of a nanoaerosol. Numerical and experimental results are concordant; orders of magnitude for the achieved containment levels are comparableMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF