Etude locale des mécanismes de réentrainement des microparticules en conduite ventilée

La remise en suspension des particules déposées sur une surface est un phénomène important qui impacte plusieurs secteurs. En effet, elle intervient dans le domaine nucléaire dans lequel le risque de contamination par des particules radioactives est étudié. De plus, le risque de contamination des produits par des particules est également présent dans le domaine de l’agroalimentaire.

La remise en suspension est un phénomène important dans les systèmes de filtration et l’encrassement des membranes. La formation d’un gâteau de filtration peut améliorer l’efficacité de collecte mais induit une augmentation significative de la chute de pression conduisant à des consommations d’énergie plus élevées. Ainsi, l’élimination des particules par remise en suspension est couramment utilisée pour assurer une filtration optimale. La remise en suspension peut être aussi utilisée pour limiter l’accumulation des particules, comme, par exemple l’accumulation de poussière sur les cellules solaires.

La remise en suspension dans le cadre d’un écoulement en conduite de ventilation, et plus particulièrement dans les grands bâtiments, représente le cas qui nous intéresse le plus. En effet la remise en suspension de poussières ou de contaminants a longtemps été un sujet d’intérêt pour ceux qui cherchent à améliorer la qualité de l’air intérieur (QAI) dans les bâtiments modernes car nous passons de plus en plus de temps dans les systèmes clos (plus de 80% du temps). Ce sujet intéresse également ceux qui cherchent des solutions pour la protection contre les contaminants toxiques.

La modélisation et/ou la simulation numérique de la remise en suspension de particules déposées sur une surface, sont utilisées pour améliorer les systèmes de ventilations. Le développement de ces modèles est basé sur des études expérimentales. Plus ces études seront précises et apporteront des informations détaillées et riches, plus ces modèles seront efficaces.

Concepts généraux 

On entend généralement par remise en suspension ou resuspension ou réentrainement l’enlèvement complet d’une ou plusieurs particules depuis une surface après la rupture du contact particule/surface, puis leur transport par le fluide constituant l’écoulement. Pour le cas qui nous intéresse ici, où le fluide est un gaz, on peut alors dire que les particules sont alors sous forme d’aérosol. Il est important de distinguer la remise en suspension du détachement des particules qui désigne uniquement la phase de rupture du contact particule/surface. Ainsi une particule est considérée comme détachée dès lors que sa position sur la surface change durant la période d’observation, mais elle peut aussi bien être suivie du transport de la particule par l’écoulement que par une nouvelle période de repos sur la surface. C’est pourquoi le détachement peut être considéré comme une partie du mécanisme de la remise en suspension. Dans la mesure où les travaux menés dans le cadre de la présente thèse consistent en une étude expérimentale de la remise en suspension en conduite de ventilation, cette partie présente les grandeurs généralement employées dans la littérature pour quantifier le phénomène, ainsi que les différents types d’approches qui ont été développées pour l’aborder.

Grandeurs utilisées pour quantifier la remise en suspension 

Selon les études, et surtout selon les méthodes expérimentales employées, la remise en suspension des particules est généralement quantifiée par deux grandeurs principales qui sont la fraction remise en suspension, ou à l’inverse la fraction restante à la paroi, et la vitesse de remise en suspension.

La fraction remise en suspension, que nous noterons F, représente le rapport exprimé en pourcentage, entre la quantité de particules remises en suspension à l’instant d’observation et la quantité initiale déposée. Inversement, la fraction restante à la paroi, que nous noterons Fres, représente le rapport entre la quantité de particules restant à la paroi à l’instant d’observation et la quantité initiale. Elle est ainsi reliée à la fraction remise en suspension de la manière suivante :

Fres =100-F (I-1)

Selon la méthode employée pour quantifier la quantité de particules remises en suspension ou restantes à la paroi, ces deux grandeurs peuvent être exprimées en masse, en nombre ou en concentration. Ainsi par exemple Alloul-Marmor (2002) fournit des quantités exprimées en masse grâce à des pesées. Mukai et al. (2009) et Wang et al. (2012) fournissent des concentrations en particules et Ibrahim et al. (2004, 2006 et 2008) et Kassab et al. (2013) des nombres de particules. Ainsi, la technique de mesure utilisée par Ibrahim et al. (2004, 2006, 2008) et Kassab et al. (2013) consistant à filmer les particules en utilisant une caméra rapide, leur a permis de mesurer la fraction remise en suspension à un instant t.

La surface de paroi considérée dans le cas de l’utilisation d’une méthode optique a une influence sur l’interprétation du phénomène de remise en suspension. En effet on ne peut pas affirmer avec certitude qu’une particule quittant le champ d’observation est une particule remise en suspension, parce qu’il se peut qu’elle ait eu un mouvement de roulement ou de saltation (cf. figure I-4). Une particule détachée peut aussi rester dans le champ d’observation et être comptabilisée comme une particule restante à la paroi. Dans l’idéal, il faudrait donc une surface de paroi considérée assez importante pour pouvoir interpréter un mieux la remise en suspension.

Echelles d’études 

Outre l’approche employée pour aborder le réentrainement de particules, les échelles temporelles ou spatiales d’intérêt peuvent être très différentes. En effet, les moyens techniques à disposition, et les applications des phénomènes à étudier font que ces échelles sont très variées. Dans ce qui suit, ces différentes approches sont présentées.

Echelles spatiales

Etudes à échelle globale
Historiquement, les premières études portant sur la remise en suspension prenaient en compte un nombre de particules très important initialement réparties sur des surfaces importantes (2,3 x 7,62 cm² pour Wright et al. (1984) et 10 x 30 cm² pour Fromentin (1989)), et quantifiaient la remise en suspension sur la base de ratio entre la masse remise en suspension et la masse initiale. Ce type d’étude ne permet pas de dénombrer ni de qualifier la répartition spatiale des particules. Il n’est donc pas possible de renseigner précisément sur les caractéristiques initiales et au cours du temps du dépôt (nombre de particules, homogénéité du dépôt, existence d’agrégats, dépôt monocouche vs multicouches…). C’est pourquoi l’on peut qualifier d’études à échelle globale ce type d’approches.

Etudes à échelle locale
Afin de mieux comprendre les phénomènes associés à la remise en suspension, de nouvelles approches plus locales ont été développées grâce aux progrès des techniques expérimentales. Ainsi il est devenu possible, notamment par le biais de méthodes optiques mettant en œuvre des caméras rapides disposées généralement en-dessous de veines transparentes et de traitement d’images associées, de suivre au cours du temps l’évolution du nombre, voir de la distribution en taille des particules restant sur une surface de paroi donnée. Ceci permet également d’observer les éventuelles interactions entre particules, et l’homogénéité de la remise en suspension sur le champ observé au cours du temps comme pour les expériences d’Ibrahim et al. (2003, 2006) à travers lesquelles environ 30 particules ont été observées sur une surface de 13,7 x 10,2 mm². Ces études de la remise en suspension à échelle locale permettent également d’identifier les différents mouvements des particules lors de leur remise en suspension (Jiang et al. (2008) et Kassab et al. (2013)).

De par les méthodes expérimentales employées, ce type d’études à échelle locale met généralement en jeu des surfaces d’observations de petites dimensions. Ainsi la taille de la surface observée varie de 13,7 x 10,2 mm² pour les expériences d’Ibrahim et al. (2003, 2004, 2006, 2008) à 1 x 0,2 mm² pour les expériences de Jiang et al. (2008). De plus la plupart de ces expériences visent à étudier la remise en suspension en limitant les interactions particule / particule afin d’isoler les phénomènes intervenant dans les cas de particules isolées, et sont donc réalisées à faibles concentrations initiales en particules : 50 part/cm² pour d’Ibrahim et al. (2003), 431 part/cm² pour Kassab et al. (2013), et 120 part/mm² pour de Jiang et al. (2008). Le nombre de particules observées varie de quelques dizaines pour les expériences de Jiang et al. (2008), Kassab et al. (2013), et Ibrahim et al. (2003, 2004, 2006, 2008), à 500 particules pour l’expérience de Barth et al. (2014). Enfin, selon la résolution de la caméra employée et les dimensions de la fenêtre d’observation la taille des particules généralement observées varie de la centaine de micromètres pour Ibrahim et al. (2003, 2004, 2006, 2008) à quelques micromètres pour Reeks et al. (2003) et Barth et al. (2014).

Outre le suivi temporel du nombre ou de la distribution en tailles de populations de particules, récemment des travaux se sont intéressés à l’étude des trajectoires des particules lors de la remise en suspension, afin de mettre en évidence les mécanismes via lesquels elles sont majoritairement détachées (leur position n’est plus la position initial) de la paroi. Pour cela Jiang et al. (2008) ont filmé par le dessus une vingtaine de particules de verres de 11 à 41 µm de diamètre (cf. figure I 3) et ont montré que ces dernières présentent un mouvement de roulement sur la surface avant d’être réentrainées par le fluide.

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Table des matières

Introduction
Chapitre I: Etude bibliographique
I. Concepts généraux
I.1. Grandeurs utilisées pour quantifier la remise en suspension
I.2. Types d’approches expérimentales
I.3. Echelles d’études
I.4. Positionnement de l’étude
II. Forces s’exerçant sur une particule
II.1. Forces d’attachement et propriétés du dépôt
II.2. Forces aérauliques et propriétés de l’écoulement en proche paroi
II.3. Propriétés de la paroi
III. De l’état de l’art sur la remise en suspension au développement d’une stratégie expérimentale pour étudier la remise en suspension
Chapitre II : Matériel et méthodes
I. Présentation du banc d’essai
I.1. Description du banc d’essai
I.2. Environnement du banc d’essai
II. Caractérisation aéraulique du banc d’essai
II.1. Moyens expérimentaux utilisés pour réaliser les mesures de vitesse de l’air
II.2. Validation aéraulique de la conduite en régime permanent
II.3. Caractérisation de la couche limite
II.4. Caractérisation de l’écoulement durant la phase d’accélération du ventilateur
III. Essais de remise en suspension de particules
III.1. Choix et caractérisation des particules
III.2. Protocole de remise en suspension
III.3. Dispositifs utilisés pour réaliser les expériences de remise en suspension
III.4. Traitement des images de particules restant à la paroi au cours du temps en vue d’obtenir des courbes de cinétique de remise en suspension
IV. Conclusion
Chapitre 3 Résultats
I. Evolution temporelle des signaux de vitesse au milieu vertical de la conduite et en proche paroi lors du démarrage du ventilateur
I.1. Description du signal de vitesse en un point du démarrage du ventilateur jusqu’au régime permanent
I.2. Analyse de la répétabilité des signaux de vitesse
I.3. Evolution simultanée de la vitesse au milieu vertical de la conduite et en proche paroi
I.4. Influence des conditions opératoires sur l’évolution de l’écoulement
II. Cinétique de remise en suspension
II.1. Analyse du bruit expérimental affectant les courbes cinétiques moyennes
II.2. Influence de la taille des particules sur la cinétique de remise en suspension
II.3. Modélisation des courbes de cinétiques de remise en suspension
II.4. Analyse des cinétiques de remise en suspension
III. Superposition des courbes de cinétique de remise en suspension avec l’évolution temporelle des propriétés de l’écoulement d’air
III.1. Evolutions temporelles de la fraction restante et de la vitesse en proche paroi
III.2. Evolutions temporelles de l’intensité turbulente en proche paroi
III.3. Evolution temporelle de la fraction restante et de l’énergie cinétique turbulente en proche paroi
IV. Evolution temporelle de la vitesse de remise en suspension
IV.1. Evolution temporelle de la vitesse de remise en suspension et de la cinétique de remise en suspension pour les conditions expérimentales de référence
IV.2. Evolution temporelle de la vitesse de remise en suspension et de la cinétique de remise en suspension pour l’ensemble des conditions expérimentales
Conclusion générale

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