Numerical study of particle dispersion emitted from train brakes in underground station

Abstract

23rd International Transport and Air Pollution Conference, THESSALONIQUE, GRECE, 15-/05/2019 - 17/05/2019Air pollution has become a major issue since it is responsible for several adverse health effects. Among pollutants, exposure to particle matter (PM) including ultrafine (UFP) and nanoparticles has been defined as particularly hazardous. It was shown that PM exposure increases the risks of cardiovascular and respiratory diseases. Particles size is strongly linked to their dangerousness. The smaller they are, the higher their deposition rate and their ability to penetrate respiratory and blood system are. Former studies carried out in underground train stations across the world revealed that particle concentration rates can reach higher levels than outdoor.Thus, commuting is one of the main contribution to daily personal exposure to particulate pollutants This work aims to increase our knowledge about particle dynamics issued from trains brake discs in the context of an underground station. Then, the influence of the flow surrounding a train passing a station at low speed is investigated. To assess the particle dynamics for these three specific size ranges, three-dimensional numerical simulations are conducted using the commercial code Fluent 19.2. The Eulerian-Lagrangian approach is used allowing a fine tracking of particles in the flow around the rolling stock. The turbulent mean flow is computed using Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) through the RNG k-µ turbulence model. Particles dispersion from disks brakes to the station is computed with the Discrete Phase Model. Our methodology is described in the first part of this paper, followed by the results of flow computation. Train-induced flow influence on brake particle dispersion is discussed in the third section. This paper ends with our conclusions about regions of interested highlighted by the present study and perspective for further studies to assess properly particle dispersion in underground stations.La pollution de l'air est devenue un problème majeur puisqu'elle est responsable de plusieurs effets néfastes sur la santé. Parmi les polluants, l'exposition aux particules (PM), y compris les particules ultrafines (UFP) et les nanoparticules, a été définie comme particulièrement dangereuse. Il a été démontré que l'exposition aux particules augmente les risques de maladies cardiovasculaires et respiratoires. La taille des particules est fortement liée à leur dangerosité. Plus ils sont petits, plus leur taux de dépôt et leur capacité à pénétrer les voies respiratoires et le système sanguin sont élevés. Des études antérieures menées dans des gares souterraines à travers le monde ont révélé que les taux de concentration de particules peuvent atteindre des niveaux plus élevés qu'à l'extérieur, de sorte que les trajets domicile-travail constituent l'une des principales contributions à l'exposition quotidienne des personnes aux particules polluantes. Ensuite, l'influence de l'écoulement autour d'un train qui passe à faible vitesse devant une gare est étudiée. Pour évaluer la dynamique des particules pour ces trois plages de tailles spécifiques, des simulations numériques tridimensionnelles sont effectuées à l'aide du code commercial Fluent 19.2. L'approche eulérienne-lagrangienne permet un suivi fin des particules dans le flux autour du matériel roulant. Le débit moyen turbulent est calculé à l'aide du modèle de turbulence Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) à l'aide du modèle RNG k-µ. La dispersion des particules des freins à disque vers la station est calculée à l'aide du modèle de phase discrète. Notre méthodologie est décrite dans la première partie de ce document, suivie des résultats du calcul des flux. L'influence du débit induit par le train sur la dispersion des particules de freinage est abordée dans la troisième section. Le présent document se termine par nos conclusions sur les régions d'intérêt mises en évidence par la présente étude et les perspectives d'autres études visant à évaluer correctement la dispersion des particules dans les stations souterraines