Simulations de dépôt dans une boîte ventilée de 0,8 m 3

Ce dernier cas-test repose sur des expériences de traçage particulaire menées à l’IRSN/DSU/SERAC (Prévost et al., 2001). Dans ces travaux, le dépôt de particules dans une boîte ventilée de 0,8 m3 a été étudié. Pour cela, deux types de mesures ont été réalisées :

- mesures de décroissances de concentration en particules, lors d’essais de renouvellement destinés à caractériser le taux de dépôt global,

- mesures de masses d’aérosols traceurs présentes en fin d’expérience sur des cibles disposées sur les parois de la boîte, lors d’essais visant à identifier la localisation du dépôt des particules en paroi.

L’objectif est de réaliser plusieurs simulations d’essais réalisés dans cette géométrie, pour comparer les dépôts d’aérosols obtenus. La figure 98 montre une vue d’ensemble et un schéma du dispositif expérimental.

figure 98.Dispositif expérimental utilisé pour l’étude du dépôt d’aérosols dans une boîte ventilée de 0,8 m3 (Prévost et al., 2001)

Les aérosols sont produits par un générateur à orifice vibrant de type Berglund-Liu (TSI), à partir d’une solution de glycérol marquée à la fluorescéine sodée. Ce dispositif assure la dispersion et le séchage des particules formées. Celles-ci présentent une bonne monodispersion (σg≤ 1,2). L’ajout

de fluorescéine sodée permet d’effectuer une détection spécifique, par fluorimétrie, des aérosols ayant été générés.

● Paramètres de l’étude

La boîte est un parallélépipède de 0,8 m3 (0,8 m ✕ 1 m ✕ 1 m). La configuration de ventilation

retenue correspond à un soufflage haut et une extraction basse (cf. figure 99). La vitesse de l’air au soufflage est de 0,185 m.s-1 (taux de renouvellement R = 8 h-1).

Deux diamètres aérodynamiques de particules dp sont simulés : 5 µm et 10 µm. Les particules sont

injectées au soufflage d’air du local.

Toutes les simulations sont effectuées avec un modèle de turbulence k-ε, avec les conditions limites suivantes au soufflage : I = 5% et DH = 0,096 m.

● Maillage utilisé

La boîte est maillée de façon hexaédrique avec Ansys ICEM CFD (technique de maillage par blocs). La figure 99 présente le maillage utilisé pour l’ensemble des simulations.

figure 99.Maillage de la boîte ventilée de 0,8 m3 utilisée pour réaliser des simulations de dépôt d’aérosols. vsoufflage = 0,185 m.s-1, R = 8 h-1

● Décroissance des concentrations en particules de 5 µm et 10 µm

Dans un premier temps, on s’intéresse à la décroissance de la concentration en aérosols après arrêt de l’injection des particules, pour deux diamètres de particules différents. En effet, les travaux de Prévost et al. (2001) présentent les décroissances obtenues expérimentalement pour dp = 5 µm et

dp = 10 µm, ce qui permet d’effectuer une première comparaison entre expériences et simulations.

Ces calculs permettent également de comparer la proportion d’aérosols déposés suivant leur taille, en observant la vitesse à laquelle décroît la concentration en fonction du temps. Pour cela, le processus habituel est effectué, à savoir commencer par obtenir un calcul aéraulique convergé, puis une suite de ce calcul avec traceur injecté en continu, résolue en figeant l’aéraulique. Une fois les conditions d’équilibre atteintes, on effectue une suite de ce dernier calcul, toujours en figeant l’aéraulique, mais en stoppant l’injection de particules au soufflage. La concentration en aérosols diminue alors, depuis sa valeur d’équilibre jusqu’à devenir nulle dans toute la boîte, les particules étant évacuées par l’extraction d’air et par leur dépôt en parois.

La décroissance de la concentration en particules est déterminée en mesurant la concentration à l’extraction grâce à une sonde, ceci pendant toute la durée du dernier calcul décrit ci-dessus. La figure 100 présente les courbes de décroissance obtenues pour des particules de 5 µm et 10 µm, ainsi que pour un traceur passif (gaz). En effet, lors des expériences, le taux de renouvellement d’air dans la boîte a été établi grâce à une décroissance en gaz (hélium).

y = e-8,0x y = e-11,0x y = e-23,0x 1,0E-01 1,0E+00 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 t (h)

C

/C

é q u il ib re gaz dp = 5 µm dp = 10 µm

figure 100. Courbes de simulations de décroissances de concentration pour un gaz (hélium) et pour des particules de 5 µm et 10 µm. R = 8 h-1_{, pas de temps = 5 s}

En supposant un renouvellement d’air homogène et instantané (i.e. concentration en aérosols identique en tout point à chaque instant), les courbes représentées sur la figure 100 suivent les expressions suivantes (cf. Annexe 1) :

(

Rt

)

C C

équilibre

−

=exp pour le gaz (165)

(

R t

)

C C p équilibre −

=exp pour les particules ₍₁₆₆₎

Les coefficients R et Rp s’expriment comme suit (pente des droites sur la figure 100, en graphe

semi-log) : V Q R= pour le gaz (167) V Q Q Rp dépôt +

= pour les particules (168)

avec Q le débit d’air au soufflage, V le volume de la boîte et Qdépôt le « débit de dépôt d’aérosols »,

qui s’exprime ainsi :

∑

= = n i i d i dépôt S Q 1 , v (169) A chaque surface de dépôt Si correspond une vitesse de dépôt vd,i. n est le nombre de surfaces

différentes considérées.

Ici, au vu des diamètres considérés, la sédimentation est le phénomène de dépôt prépondérant. Qdépôt peut donc être approché par :

g S

Qdépôt ≈ solτp (170)

L’expression (170) permet d’estimer un ordre de grandeur du dépôt des particules, sans tenir compte du phénomène de dépôt par diffusion.

Le tableau 13 regroupe les valeurs de R et Rp, selon la manière dont elles ont été calculées. La ligne

« estimation de la pente » correspond aux valeurs obtenues grâce aux équations (167) à (170).

tableau 13. Valeurs des pentes R et Rp, obtenues de différentes manières

aérosol, dp = 5 µm aérosol, dp = 10 µm gaz

estimation de la pente (Rp ou R) Rp = 10,8 h-1 Rp = 19,1 h-1 R = 8 h-1 résultats expérimentaux pour Rp ou R Rp = 13 h-1 Rp = 21 h-1 R= 8 h-1 résultats numériques pour Rp ou R Rp = 11 h -1 Rp = 23 h-1 R = 8 h-1

La simulation de dispersion du traceur gazeux permet de vérifier la valeur du taux de renouvellement d’air R. D’après le tableau 13, la simulation retrouve bien la valeur souhaitée (R = 8 h-1). Ce tableau montre également que les valeurs de Rp obtenues dans les simulations sont à

la fois proches des ordres de grandeur attendus et des valeurs expérimentales. Il s’agit de résultats intéressants pour montrer que la modélisation proposée prend correctement en compte le dépôt global d’aérosols dans une simple enceinte ventilée de faible volume.

● Localisation du dépôt

Lors des simulations avec injection continue de traceur, le flux de dépôt a été évalué à l’équilibre en divers points. Chacun d’eux correspond physiquement à une petite surface élémentaire couvrant le voisinage de ce point. En chaque point, le résultat est normé par la somme du flux total aux 18 points. Pour évaluer ce dépôt lors des travaux expérimentaux, une masse d’aérosols déposée sur un filtre placé au voisinage de chaque point a été déterminée puis normée par la masse totale déposée sur les 35 filtres utilisés (Prévost et al., 2001). Les pourcentages de dépôt évalués en une zone donnée sont donc comparables entre simulations et expériences. Les positions des cibles sur les surfaces de la boîte sont indiquées dans le tableau 14. Ce dernier montre aussi que la répartition des points choisie pour les simulations est en cohérence avec l’emplacement des cibles dans les expériences (cf. figure 98).

tableau 14. Répartition des points de mesure du flux de dépôt d’aérosols de 10 µm sur les différentes surfaces de dépôt de la boîte de 0,8 m3

Simulation effectuée Expériences

(Prévost et al., 2001) Numéro du point de mesure Localisation (surface) Numéro du point de mesure Localisation (surface) 1 → 11 _verticales parois 1 → 23 _verticales parois

La figure 101 permet de visualiser la proportion de dépôt d’aérosols de 10 µm au voisinage de chaque point, pour les simulations et les expériences.

figure 101. Locatisation du dépôt d’aérosols de 10 µm en différents points (cf. tableau 14). Résultats de simulation (à gauche) et expérimentaux (à droite, Prévost et al., 2001)

Les histogrammes de la figure 101 confirment bien que, pour dp = 10 µm, le dépôt intervient quasi-

exclusivement au sol, les effets de sédimentation étant prépondérants devant les autres phénomènes de dépôt. En effet, seules les cibles situées au sol présentent des pourcentages d’aérosols déposés non négligeables, alors que les cibles sont réparties sur toutes les surfaces. La simulation retrouve bien la tendance observée expérimentalement.

● Visualisation du flux de dépôt

La figure 102 montre le flux de dépôt (exprimé en kg.m-2.s-1) à l’équilibre sur les parois de la boîte, pour des particules de 0,5 µm et 10 µm. Le diamètre de 0,5 µm a été choisi pour limiter les effets de sédimentation comparativement aux particules de 10 µm.

Conformément à ce qui a été expliqué auparavant, les particules de 10 µm se déposent préférentiellement au sol, où le flux est plus élevé qu’en parois verticales. Pour des particules de 0,5 µm, ce dépôt semble davantage uniforme, la sédimentation étant nettement plus faible.

figure 102. Visualisation du flux de dépôt à l’équilibre sur les parois de la boîte ventilée de 0,8 m3_{. La}

Remarque : dans le cas où dp = 10 µm (figure de gauche), on pourrait croire que le dépôt est parfois

aussi élevé sur certaines parois qu’au sol. En fait, il s’agit d’un effet de l’échelle, celle-ci ayant été choisie pour être représentative sur les deux figures simultanément : la couleur rouge, représentant le maximum, correspond à un flux d’aérosols de 10-6 kg.m-2.s-1. Or le flux maximum réellement obtenu au sol dans les simulations est de 2.10-2 kg.m-2.s-1 pour les particules de 10 µm et de 10-4 kg.m-2.s-1 pour celles de 0,5 µm. Avec une échelle appropriée à la figure de gauche uniquement, on aurait bien un flux quasi-inexistant en parois verticales comparé au flux vers le sol.

Dans le document Modélisation du transfert des aérosols dans un local ventilé (Page 160-166)