Modélisation et simulation numérique de la dynamique des nanoparticules appliquée aux atmosphères libres et confinées

La pollution atmosphérique

Parmi les multiples thématiques existantes, la pollution atmosphérique occupe une place prépondérante, de part, notamment, ses multiples répercussions tant à l’échelle globale, régionale que locale : changement climatique, diminution de la couche d’ozone stratosphérique, dépôts de polluants et conséquences sur les écosystèmes, diminution de la visibilité, dangers sanitaires, dégradation du bâti. Les polluants responsables de ces effets peuvent être émis directement dans l’atmosphère, on parle de polluants primaires, ou formés par réactions physico-chimiques dans l’air, on parle alors de polluants secondaires. Certains polluants sont présents naturellement dans l’atmosphère (végétation, volcans, . . . ), d’autres sont issus de l’activité humaine (trafic, industries, . . . ), i.e. anthropiques.
On distingue les polluants inorganiques des polluants organiques. En phase gazeuse, citons notamment l’ozone, les oxydes de soufre, les oxydes d’azote (NO et NO2, regroupés sous la dénomination NOx), l’ammoniac et les composés organiques volatils (COV). Après émission, les polluants sont transportés et dispersés dans l’atmosphère et réagissent chimiquement entre eux notamment sous l’effet du rayonnement solaire. En particulier, l’oxydation des COV produit de très nombreux (plusieurs milliers) composés organiques semi-volatils (COSV). Les polluants ont une durée de résidence dans l’atmosphère pouvant aller jusqu’à quelques mois, puis ils finissent par se déposer sur une surface par dépôt sec ou sont lessivés par les précipitations (dépôt humide). Certaines espèces chimiques, comme l’acide sulfurique et les COSV sont susceptibles de se condenser et de former une phase particulaire.
Du fait des échanges entre air extérieur et intérieur, la pollution atmosphérique n’est pas sans conséquence sur la qualité de l’air intérieur. Celle-ci dépend aussi d’autres processus tel que la ventilation, les émissions des bâtiments, et fait, pour cette raison, l’objet de recherches spécifiques (Kirchner et al. (2007)). Cependant, que l’on soit en air intérieur ou extérieur, la modélisation des principaux processus micro-physiques des particules (coagulation, condensation/évaporation et nucléation) est identique. Aussi, bien que le modèle développé dans cette thèse l’ait été davantage en référence à des applications en air extérieur, il reste valable pour les problématiques d’air intérieur.

Les aérosols dans la pollution atmosphérique

Les polluants condensés sont présents dans l’air sous forme de particules en suspension appelés aérosols. Le mot « aérosol » désigne le mélange gaz/particules.
Cependant, dans cette thèse, nous employons indifféremment les termes «aéro-2 sol» et «particule». Leur taille s’étend de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres. Les aérosols peuvent être à l’état solide ou liquide. Les aérosols liquides sont en général de forme sphérique alors que ceux qui sont solides présentent souvent une forme plus compliquée, pouvant avoir un aspect fractal comme les suies (Bessagnet and Rosset (2001)). En général, on se ramène à une forme sphérique pour la modélisation, quitte à donner au diamètre une définition particulière (diamètre aérodynamique, diamètre de Stockes, diamètre équivalent, . . . ). La modélisation des aérosols est l’objet de nombreuses recherches, et ce pour diverses raisons :
leur possible nocivité : réactions inflammatoires, allergisantes, pathologies cardio-vasculaires, cancers (Silverman et al. (2011); IARC (2012)), . . . .
Celle-ci dépend de leur composition chimique et de leur taille, les particules les plus fines étant effectivement capables de passer la barrière physiologique des poumons (EPA (2009); Oberdörster et al. (2005)) ;
leurs interactions chimiques avec les autres composants de l’atmosphère, encore incomplètement maîtrisées (réactions hétérogènes, polymérisation, oligomérisation, . . . )
leur impact sur le bilan radiatif de l’atmosphère, et donc sur le climat. On observe un effet direct par absorption et diffusion du rayonnement solaire, et un effet indirect par formation des nuages, du fait de l’activation de noyaux de condensation ou «CCN» (Cloud Condensation Nuclei).

Les nanoparticules

Dans cette partie, nous commençons par préciser la notion de nanoparticules, puis nous détaillons les principales sources ainsi que les enjeux sanitaires et environnementaux liés aux nanoparticules.
Les particules ultrafines sont des particules dont le diamètre équivalent est inférieur à 100 nm (EPA (2009), ISO-27687). Comme la plupart des nanoparticules, définies par leur dimensions géométriques, se révèlent après mesurage être des particules ultrafines, nous parlerons indifféremment des deux dans ce manuscrit.
Pour davantage de précision, on peut citer le rapport ISO de 2008 (ISO 27687), équivalent aux derniers rapports ISO existants Une autre définition, plus large, qualifie de « nanoparticule » un assemblage d’atomes dont au moins une des dimensions se situe à l’échelle nanométrique ; ceci correspond à la définition de « nano-objet » selon la norme ISO précitée. Les nanotubes présentent quant à eux deux dimensions nanométriques. Notons que lorsque les nanoparticules sont de forme sphérique, les définitions de « nanoparticule » et « nano-objet » sont équivalentes.
Les principales sources :Les nanoparticules sont devenues un important sujet de préoccupation au cours des dernières années, du fait du nombre croissant de sources possibles d’émission, et de leur importante concentration numérique en air intérieur (Géhin et al., 2008; Ji et al., 2010) comme en air extérieur (Charron and Harrison, 2009; Bang and Murr, 2002; Kumar et al., 2011).
L’industrie fait aujourd’hui de plus en plus appel aux nanotechnologies, celles-ci consistent en la fabrication d’objets ayant une structure nanométrique, comme les nanotubes de carbone (Ricaud et al. (2008)). La raison de cet intérêt pour les nanomatériaux est tout d’abord qu’ils offrent une plus grande réactivité, du fait d’un rapport surface/volume plus élevé, et qu’ils nécessitent moins de matière première que les matériaux classiques, d’où un moindre cout de production. Ils sont de plus en plus utilisés dans la fabrication de divers produits d’usage quotidien tels que les crèmes solaires et cosmétiques ; ainsi que dans des produits à usage industriel comme les enduits extérieurs, peintures, vernis d’ameublement, catalyseurs de carburant, pellicules et films pour l’image.

Modélisation des aérosols atmosphériques

Il existe aujourd’hui plusieurs modèles de dispersion ou de chimie-transport (CTM), qui simulent l’advection par le vent, la diffusion turbulente et les transformations physico-chimiques des polluants dans l’atmosphère. Ces modèles sont contraints en entrée par des données d’émissions et des champs météorologiques (température, vitesse du vent, précipitations, . . . ). Certains modèles de qualité de l’air peuvent simuler les champs météorologiques et les concentrations des polluants atmosphériques conjointement ; on parle alors de modèles intégrés. Les modèles de type CFD 4, quant à eux, calculent les champs météorologiques et peuvent descendre à des échelles spatio-temporelles très fines, mais sont couteux en temps de calcul.
Les modèles de chimie-transport font partie intégrante des plate-formes de prévision de qualité de l’air, tel que Prev’Air,
qui sont utilisées à l’échelle urbaine et régionale par les pouvoirs publics notamment pour prévoir les épisodes de pollution à l’ozone.
Si l’on peut considérer aujourd’hui que ces modèles sont opérationnels pour le suivi des espèces chimiques en phase gazeuse , il n’en est pas encore de même pour la pollution particulaire. Dans des milieux faiblement concentrés comme c’est le cas pour les aérosols atmosphériques, les interactions possibles entre les particules et l’écoulement du fluide porteur ne sont pas prises en compte comme c’est le cas lorsque l’on modélise des atmosphères confinées fortement concentrées en particules (Simonin et al. (1993); Simonin (1991)).

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Table des matières

1 Introduction 
1.1 La pollution atmosphérique
1.2 Les aérosols dans la pollution atmosphérique
1.3 Les nanoparticules
1.4 Modélisation des aérosols atmosphériques
1.5 Objectifs et plan de la thèse
2 Processus de condensation/évaporation 
2.1 Résumé de l’article
2.2 Introduction
2.3 Modeling
2.3.1 Particle size distribution
2.3.2 Condensation/evaporation equation
2.3.3 The sectional approach
2.3.4 The modal representation
2.4 Numerical schemes for the sectional representation
2.4.1 Eulerian, Lagrangian and semi-Lagrangian approaches
2.4.2 Redistribution algorithms
2.4.3 Inter-comparison of the schemes with two case studies
2.5 First case study: regional pollution
2.5.1 Initial conditions and simulation characteristics
2.5.2 Results
2.5.3 Performance Statistics: normalized mean error
2.5.4 Performance Statistics: correlation
2.5.5 PM and PN estimations
2.6 Second case study: the diesel vehicle exhaust
2.6.1 Initial conditions and simulation characteristics
2.6.2 Results
2.6.3 Performance Statistics: normalized mean error
2.6.4 Performance Statistics: correlation
2.6.5 PM and PN estimations
2.7 Conclusion
3 Coagulation des nanoparticules 
3.1 Processus de coagulation
3.1.1 Équation de Smoluchowski
3.1.2 Caractéristiques physiques des aérosols dans l’air
3.1.3 Noyau de coagulation brownien
3.2 Approche sectionnelle
3.2.1 Discrétisation
3.2.2 Simulations numériques
3.3 Forces de van der Waals
3.3.1 Les formulations
3.3.2 Constante de Hamaker
3.3.3 Simulations numériques
3.4 Conclusion
4 Nucléation et couplage des processus 
4.1 Introduction
4.2 Paramétrisations
4.3 Simulations numériques de la nucléation
4.3.1 Nucléation et GDE
4.3.2 Résultats
4.3.3 Conclusion sur les résultats de nucléation
4.4 Résolution découplée de la GDE
5 Conclusion et perspectives 
Annexe A 
A.1 Volume distribution of the modal representation
A.2 Error
A.3 Correlation Coefficient
A.4 The multichemical composition case
A.4.1 The mass-redistribution
A.4.2 The number-redistribution
A.5 Additional results for condensation
A.6 Initial conditions
A.6.1 The clear conditions
A.6.2 The urban conditions

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