INFLUENCE DES CHARGES ELECTRIQUES SUR L’EFFICACITE DE COLLECTE

Pour mettre en évidence l’effet des charges électriques, 70 efficacités de collecte ont été mesurées, réparties sur 4 rayons humides d’aérosol entre 175 et 432 nm (rayons secs entre 100 et 250 nm), un rayon de goutte de 48,5 ± 1,1 μm et 7 charges électriques sur la goutte de 9,6x104, 3x104, 5x103, 0, -5x103, -1x104 et -3 x104 charges élémentaires. Étant limité par la géométrie adoptée pour charger les gouttes (Figure 3-7, gauche) et de l’alimentation basse tension utilisée, cet intervalle de charge de goutte est maximal. Néanmoins, de telles charges assurent d’être à la fois représentatif de nuage convectif et stratiforme, en tenant compte des deux polarités possibles. Les charges électriques sur l’aérosol sont celles du Tableau 3-5. A noter que l’aérosol est chargé négativement, de par le régime du chargeur par champ utilisé, alors que la charge électrique évaluée dans les premiers rejets de l’accident du CNPE-FD (2011) est positive (voir section 1.1.2.2). Néanmoins, si le modèle se trouve validé par les mesures, on remarque la relation 𝐹𝑒𝑙(−𝑞, 𝑄) = 𝐹𝑒𝑙(𝑞, −𝑄) en Équation 1-12. Aussi, les efficacités de collecte seront équivalentes pour le même rapport de charge électrique (𝐾 =^𝑄_𝑞). L’humidité relative moyenne sur l’ensemble des expériences est de 95,1 % (±0,2 %) pour une température moyenne de 1,08°C (±0,12°C). Pour chaque point de mesure, le facteur de grossissement (𝐺𝑟𝑜𝐹) des particules est évalué pour en déduire les rayons humides et la masse volumique.

Les valeurs des efficacités de collecte mesurées sont regroupées en Annexe E. 3.3.5.1 INFLUENCE DU PRODUIT DES CHARGES ELECTRIQUES

Les mesures d’efficacité de collecte en fonction du produit des charges sur l’aérosol et la goutte sont présentées sur la Figure 3-26 pour les 4 tailles d’aérosol. Les lignes tiretées représentent la valeur théorique d’efficacité de collecte, obtenue avec le modèle développé durant la thèse (CHAPITRE 2) sans les forces électrostatiques, à une humidité relative de 95 % et une température de 1°C. De cette représentation nous pouvons observer les éléments suivants :

• Une très forte influence du produit des charges, échelonnant l’efficacité de collecte sur plus de 4 ordres de grandeur ;

• Pour de faibles produits de charge positifs, on observe des efficacités de collecte supérieures à ce que prévoit la théorie sans les effets électrostatiques. Pourtant, les polarités sont les mêmes et les forces coulombiennes sont répulsives. Cette augmentation peut être attribuée au terme Image-Attractif-Faible-Distance (IAFD, Équation 1-12) qui, malgré une même polarité sur la goutte et la particule, contribue à attirer les particules vers la goutte.

• Pour de très forts produits de charge positifs, les efficacités de collecte chutent. Le terme Coulombien-Longue-Distance (CLD, Équation 1-12) repousse les particules à longue distance de la goutte ce qui diminue fortement la collecte.

Figure 3-26 Mesures des efficacités de collecte en fonction du produit des charges électriques de la goutte et de l’aérosol. Les lignes tiretées représentent l’efficacité de collecte théorique sans forces électrostatiques (à la température et à l’humidité relative moyennes des expériences). Le rayon de

l’aérosol est de 175 nm (Haut, Gauche), 260 nm (Haut, Droite), 346 nm (Bas, Gauche) et 432 nm (Haut, Droite). Les charges sur l’aérosol sont représentées par le code couleur.

3.3.5.2 INFLUENCE DE LA CHARGE DE L’AEROSOL - GOUTTE ELECTRIQUEMENT NEUTRE

La Figure 3-27 présente les efficacités de collecte pour les 4 tailles d’aérosol considérées où la goutte est électriquement neutralisée. De plus, les mesures d’efficacité de collecte de la section 3.3.4 pour une humidité relative de 93,5 % et un rayon humide de 154, 235, 314 et 392 nm sont renseignées pour le cas sans force électrostatique (charge sur la goutte nulle et aérosol neutralisé). Les lignes tiretées représentent la valeur théorique d’efficacité de collecte, obtenue avec le modèle, sans les forces électrostatiques, à une humidité relative de 95 % et une température de 1°C.

On observe que pour environ -10 charges élémentaires sur un aérosol de rayon de 346 et 260 nm, ainsi que pour environ -20 charges élémentaires pour un aérosol de 432 nm, la contribution des forces

électrostatiques n’est pas significative devant les forces de thermophorèse et de diffusiophorèse dès lors que les efficacités de collecte sont très similaires aux mesures sans forces électrostatiques. Néanmoins, l’effet de la charge électrique de l’aérosol sur l’efficacité de collecte devient notable quand la charge augmente et ce, même si la goutte est électriquement neutre. Par exemple, pour un rayon d’aérosol de 346 nm, l’efficacité de collecte est multipliée par 4 en passant d’une charge sur l’aérosol de 10 à 70 charges élémentaires. Ce résultat est important dès lors qu’il met en évidence la présence d’une charge ponctuelle à l’intérieur de la goutte, image de la charge sur l’aérosol. Au bilan, l’efficacité de collecte est augmentée de par le terme IAFD (Equation 1-12) qui est l’unique contribution des forces électrostatiques ici - la charge sur la goutte étant nulle.

De plus, pour une charge sur la particule fixée, on observe une augmentation de l’efficacité de collecte lorsque la taille de l’aérosol diminue. Cette observation est due à l’augmentation de la mobilité électrique des particules pour des rayons plus faibles qui, a fortiori, augmente la contribution du terme IAFD des forces électrostatiques.

Figure 3-27 Mesures d’efficacités de collecte pour un aérosol de 175, 260, 346 et 432 nm. La goutte est électriquement neutre (aux incertitudes de mesure près) et la charge sur l’aérosol varie. Les lignes tiretées représentent la valeur théorique d’efficacité de collecte pour ces tailles d’aérosol, obtenue avec le modèle développé sans les forces électrostatiques, à une humidité relative de 95 %

et une température de 1°C. Les mesures présentées en section 3.3.4 à 93,5 % d’humidité relative pour un aérosol électriquement neutre sont aussi rajoutées pour des rayons de

3.3.5.3 COMPARAISON DES MESURES AVEC LE MODELE DEVELOPPE ET LA CORRELATION DE KRAEMER ET JOHNSTONE (1955)

Lors des précédentes sous-sections, l’évolution des mesures d’efficacité de collecte suivant les effets électrostatiques est en accord avec les phénomènes expliqués au CHAPITRE 2 (section 2.4.4). Dans cette partie, on compare les mesures d’efficacités de collecte à la modélisation.

Pour chacune des 70 mesures, l’efficacité de collecte théorique a été calculée en tenant compte des conditions d’expérience, à savoir - la taille de la goutte, la température, la pression (pression atmosphérique), l’humidité relative, le rayon humide de l’aérosol, sa masse volumique calculée suivant l’Équation 3-22, les charges électriques sur la goutte et l’aérosol. Par ailleurs, des efficacités de collecte extrema ont aussi été déterminées afin de tenir compte de l’incertitude expérimentale sur les charges électriques de la goutte et de l’aérosol. Finalement, pour les 70 mesures, 210 efficacités de collecte théoriques ont été calculées en utilisant le modèle développé dans ce travail (CHAPITRE 2). De la même manière, lorsque l’efficacité de collecte théorique est inférieure à 10-5, on considère cette valeur seuil pour éviter des temps de calcul trop longs.

Sur la Figure 3-27, haut, la comparaison entre les mesures d’efficacité de collecte et la modélisation est présentée. Les barres d’incertitudes horizontales sont les incertitudes liées à la mesure, tandis que les barres verticales représentent l’encadrement de l’efficacité de collecte théorique tenant compte de l’incertitude de mesure sur le produit des charges. On constate de très bonnes similitudes (pour un paramètre comme l’efficacité de collecte qui varie sur plusieurs ordres de grandeur) entre les efficacités de collecte mesurées et théoriques où l’écart moyen est de 66 %. A noter que cette moyenne est quelque peu faussée par une partie des résultats, les 6 points de mesure les plus bas visibles sur la Figure 3-27 pour des efficacités de collecte théorique de 10-5. Pour ces comparaisons, des imprécisions demeurent de par la valeur théorique seuillée à 10-5. De plus, on constate des efficacités de collecte mesurées bien au-dessus des valeurs que prévoit le modèle, avec des écarts de 150 jusqu’à 1000 % pour ces très basses efficacités. Ces écarts importants peuvent s’expliquer par les conditions d’expérience. En effet, pour ces efficacités de collecte très basses, bien que les durées d’expériences soient entre 5 et 6 heures, la masse capturée par les gouttes est très proche de la limite de la détection qui est de 10-15 kg. À titre de comparaison, une particule de fluorescéine sodée de rayon sec de 250 nm à une masse de 10-16 kg. A ce niveau de détection, la pollution de l’opérateur lors des diverses étapes du protocole expérimental (présenté en Annexe D) est alors une source très importante d’incertitude sur la mesure. Cette incertitude n’est pas renseignée dans les incertitudes de mesure dès lors qu’elle est difficilement quantifiable. Pour réduire ce problème, il conviendrait de travailler en zone blanche ou alors, considérer non plus des heures mais des jours d’expériences. Néanmoins, mêmes pour les basses efficacités de collecte, les écarts sont très raisonnables pour un paramètre qui s’échelonne sur plusieurs ordres de grandeur. Notons que la moyenne des écarts, en ne considérant plus les 6 points vraisemblablement pollués, passe de 66 % à 38 %, ce qui semble valider les hypothèses de modélisation formulée en section 2.1.1.

Ajoutons de même qu’il existe une distribution de charge des particules, mais cette dernière étant très compliquée à caractériser, on raisonne en charge moyenne dans cette étude. Néanmoins, une incertitude demeure et n’a pas pu être évaluée. La distribution de charge sur les gouttes est, quant à elle, monodispersée ce qui s’illustre directement sur la Figure 3-9 (droite) où l’angle de déviation est constant entre les gouttes.

Sur la Figure 3-27, bas, les mesures réalisées sont aussi confrontées à la corrélation de Kraemer et Johnstone (1955) définie au CHAPITRE 1 (Équation 1-14). Modélisant uniquement les interactions électrostatiques coulombiennes attractives, la corrélation est seulement comparée aux mesures réalisées avec une charge de polarité opposée entre la goutte et la particule. On observe que les mesures sont en très bon accord avec la corrélation pour d’importants produits de charge. Néanmoins, on constate une sous-évaluation des efficacités de collecte lorsque les charges sont moins importantes. Cette tendance est normale dès lors que cette corrélation est valable lorsque les effets électrostatiques coulombiens attractifs dominent les autres mécanismes microphysiques. Cette observation illustre l’intérêt de considérer des modèles lagrangiens plutôt que d’utiliser des corrélations décrivant un processus microphysique séparément des autres. Bien que faciles d’implémentation, de telles corrélations mènent à une mauvaise appréciation de l’efficacité de collecte lorsque les contributions des effets microphysiques sont du même ordre de grandeur. Les résultats sont aussi comparés à la corrélation de Nielsen et Hill (1976) définie à l’Équation 1-15. Les

résultats sont très similaires et par conséquent, ne sont pas montrés dans cette section. Ce constat est justifié par le nombre de Stokes des particules qui, pour les tailles considérées, est proche de zéro. Les corrélations de Kraemer et Johnstone (1955) et Nielsen et Hill (1976) sont alors très proches.

Figure 3-28 (Haut) Comparaison entre les 70 efficacités de collecte mesurées et théoriques, issues du modèle développé durant la thèse. La thermophorèse et la diffusiophorèse ont été ajoutées à la modélisation. (Bas) Comparaison des mesures avec des charges électriques sur la particule et la