Étude expérimentale et numérique de la dispersion d'aérosols dans le sillage d'une roue de véhicule, Experimental and numerical study of fine particles spreading in the vehicle wheel near wake
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Thèse soutenue le 17 mars 2009: INPL
S’il est admis que la pollution particulaire observée sur les sites industriels est issue des étapes de production et de fabrication, il est en revanche peu fréquent de considérer le phénomène d’aérosolisation de particules provoqué par le passage du véhicule. Qu’il s’agisse de routes goudronnées ou de voies industrielles, la circulation de véhicule est à l’origine de l’envol de particules présentes naturellement à leur surface. Anecdotique dans certaines situations urbaines, cette source d’émission peut se révéler très préoccupante dans un contexte industriel. L’exposition des travailleurs aux particules dans des secteurs d’activités tels que les carrières, les chantiers BTP, les cimenteries, etc. constitue une préoccupation majeure pour les hygiénistes industriels. Sur la base d’une recherche bibliographique, les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à la caractérisation de la source d’émission principale. Ils visent une description aérodynamique détaillée du sillage d’une roue de véhicule et l’illustration, pour les différentes configurations expérimentales, de la répartition spatiale des particules aérosolisées en aval du point de contact de la roue avec le sol. Ce travail de recherche s’inscrit dans un cadre expérimental élargi à la simulation. Adossé à une étude numérique, l’ensemble de l’expérimentation s’est déroulé en laboratoire dans des conditions opératoires maîtrisées. A terme, cette investigation scientifique posera les fondements d’une réflexion sur les moyens technologiques qui pourront être déployés pour garantir une atténuation significative des émissions de poussières provoquées par la circulation de véhicules en situation industrielle
-Aérosols solides
-Roue
-Sillage
-Véhicule
-Circulation
-Simulation
-Emissions diffuses
-Poussières
Whilst it is common knowledge that fuel combustion in a motorised vehicle generates gaseous and particulate pollution, particles emission caused by a travelling vehicle is accounted for to a much lesser extent. Whether a vehicle is moving on motorways, roads, unpaved roads or industrial soils, it projects particles that are naturally present on the ground. This case represents a significant diffuse emission source, depending principally on the speed of the vehicle, on the load and on the humidity of the road surface material. Studying the aerodynamic behaviour of air in the vicinity of wheels under real conditions is not easy from an experimental point of view and numerical models are difficult to validate. Insufficient knowledge of this issue and the complexity of this type of aerodynamic behaviour support the preferred option of studying a simple case, such as an isolated wheel The goal of this work is to provide background information on the aerosol spreading in the field close to a vehicle rotating wheel. From a state of the art on this issue, this study was to assess the airflow and particles experimental behaviour around a wheel integrating the presence of patterns on the surface of the tire. While not claim a comparative study between different pattern geometries, this work is to highlight the differences between flow around a smooth wheel and patterned wheel. This research is based on the experimentation extended to the simulation. It will be the bases for a reflection on the possibilities of devices development to reduce dust emissions caused by the movement of industrial vehicles
-Solid aerosols
-Computational Fluid Dynamics
-Wheel
-Vehicle travelling
-Dust
-Diffuse emissions
-Vehicle travelling
-Vehicle
-Wake
Source: http://www.theses.fr/2009INPL015N/document
AVERTISSEMENT
Ce document est le fruit d’un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté
universitaire élargie.
Il est soumis à la propriété intellectuelle de l’auteur au même titre que sa
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Contact SCD INPL : scdinpl@inpl-nancy.fr
LIENS
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Institut National de Recherche et de Sécurité Laboratoire des Sciences du Génie Chimique
1 rue du Morvan – CS 60027 UPR 6811 – CNRS – 1 rue Grandville – BP 20451
54519 Vandoeuvre cedex 54001 Nancy cedex
Institut National Polytechnique de Lorraine
Ecole Doctorale
Ressources Procédés Produits Environnement (RP2E)
THESE
Présentée en vue de l’obtention du grade de
Docteur de l’INPL
Spécialité
Génie des Procédés et des Produits
Etude expérimentale et numérique de la dispersion
d'aérosols dans le sillage d'une roue de véhicule
Par
Fabien GERARDIN
Soutenue publiquement le 17 mars 2009, devant le jury composé de :
Président Jean-Claude ANDRE Directeur de Recherche au CNRS
Rapporteurs Evelyne GEHIN Professeur à l’Université Paris XII
Jean-Luc HARION ur à l’Ecole des Mines de Douai
Examinateurs Alain BERNIS Professeur à Polytech Savoie
Caroline GENTRIC Maître de Conférences à l’ENSIC - INPL
Professeur à l’ENSIC - INPL Noël MIDOUX
Chef du Département Ingénierie des Procédés Invité Michel POURQUET à l’INRS
Table des matières
Préambule................................................................................................................................I
Introduction ............................................................................................................................V
Chapitre I. Etat du sujet
I.1. Les aérosols1
I.1.1. Généralités .......................................................................................................................... 1
I.1.2. Caractéristiques géométriques d’un aérosol....................................................................... 2
I.1.2.1. Dimensions statistiques des aérosols ......................................................................... 3
I.1.2.2. Facteurs de forme........................................................................................................ 3
I.1.2.3. Distribution granulométrique........................................................................................ 4
I.1.3. Comportement des particules dans l’air .............................................................................. 4
I.1.3.1. La diffusion brownienne............................................................................................... 5
I.1.3.2. Mouvement relatif d’une particule solide dans un fluide.............................................. 6
I.1.3.3. Mouvement d’une particule dans un écoulement turbulent....................................... 10
I.2. Pollution particulaire et risques sanitaires....................................................................13
I.2.1. Généralités ........................................................................................................................ 13
I.2.2. Effets sanitaires ................................................................................................................. 14
I.2.3. Aspects réglementaires..................................................................................................... 16
I.3. Circulation de véhicules et émissions de poussières ...................................................17
I.3.1. Méthode d’évaluation des émissions ................................................................................ 17
I.3.2. Modèles prédictifs d’émission............................................................................................ 19
I.3.3. Distribution granulométrique des aérosols émis ............................................................... 23
I.4. La roue, source d’émission ..........................................................................................25
I.4.1. Travaux expérimentaux..................................................................................................... 26
I.4.1.1. Description du phénomène........................................................................................ 26
I.4.1.2. Caractérisation de l’écoulement 30
I.4.2. Simulation.......................................................................................................................... 35
I.4.2.1. Aspects numériques .................................................................................................. 38
I.4.2.2. Modèles 40
I.4.2.3. Résultats disponibles dans la littérature.................................................................... 42
I.4.3. Conclusion.... 45
Chapitre II. Matériels et méthodes
II.1. Matériels ......................................................................................................................47
II.1.1. Moyens expérimentaux ..................................................................................................... 47
II.1.1.1. Présentation du banc d’essais................................................................................... 47
II.1.1.1.1. Description de la veine aéraulique ....................................................................... 47
II.1.1.1.2. Description du mécanisme de positionnement des roues.................................... 48
II.1.1.1.3. Description des configurations expérimentales étudiées ..................................... 49
II.1.1.1.3.1. Nature des roues........................................................................................... 49
II.1.1.1.3.2. Description des flasques ............................................................................... 50
II.1.1.1.3.3. Description du capotage 50
II.1.1.1.4. Mise en œuvre des particules .............................................................................. 51
II.1.1.1.4.1. Description du générateur de particules ....................................................... 51
II.1.1.1.4.2. Caractéristiques des particules aérosolisées................................................ 52
II.1.1.2. Métrologie.................................................................................................................. 54
II.1.1.2.1. Mesures anémométriques .................................................................................... 54
II.1.1.2.1.1. Principes de fonctionnement (Schon et al., 2008) ........................................ 54
II.1.1.2.1.2. Description de la chaîne anémométrique utilisée ......................................... 56
II.1.1.2.1.3. Description du système de positionnement de la sonde............................... 57
II.1.1.2.1.4. Incertitude de la mesure................................................................................ 58
II.1.1.2.2. Mesure de la concentration de particules............................................................. 60
II.1.1.2.2.1. Principe de la mesure optique (Renoux et Boulaud, 1998) .......................... 60
II.1.1.2.2.2. Limites d’utilisation ........................................................................................ 62
II.1.1.2.2.3. Etalonnage .................................................................................................... 62
II.1.1.2.2.4. Coïncidence .................................................................................................. 62
II.1.1.2.3. Description de l’outil de mesure des particules.................................................... 62
©II.1.1.2.3.1. Compteur optique Grimm ............................................................................ 62
II.1.1.2.3.2. Prélèvement des particules........................................................................... 63
II.1.2. Moyens numériques (Gentric et Midoux, 2006) ................................................................ 64
II.1.2.1. Description de la veine aéraulique numérique .......................................................... 64
II.1.2.2. Conditions aux limites................................................................................................ 65
II.1.2.3. Maillage ......................................................................................
