Étude numérique et expérimentale du dépôt d'aérosols dans les bifurcations des réseaux de ventilation

Michel Havet, Professeur, GEPEA - ONIRIS Nantes - Rapporteur
Anne Tanière, Professeure, LEMTA - Université de Lorraine - Rapportrice
Marc Abadie, Enseignant-Chercheur HDR, LaSIE - Université de La Rochelle - ExaminateuJean-Marc Foucaut, Professeur, Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille - Kampé de Fériet - Examinateur
Evelyne Gehin, Professeure, CERTES - Université Paris Est Créteil - Directrice de thèse
Jeanne Malet, Docteure-Ingénieure HDR, LEMAC - Autorité de Sûreté Nucléaire et de Radioprotection (ASNR) - Co Directrice de thèse

La caractérisation des transferts de polluants dans les conduits de ventilation est une problématique dans l’industrie en général et notamment de l’industrie nucléaire. De nombreux travaux ont étudié le dépôt dans des conduites de petit diamètre, notamment les cannes de prélèvements et des modèles de l’appareil respiratoire, mais les résultats de ces travaux ne sont pas nécessairement valables pour les conduites de plus grande dimension. Les études réalisées à plus grande échelle sont rares, et sont souvent ciblées sur les conduits droits, les coudes ou une géométrie spécifique d’une installation industrielle. 

Pour la bifurcation, il y a peu d’études à grande échelle, en configuration de mélange de flux. L’objectif des travaux présentés dans cette thèse est d’étudier le dépôt d’aérosol dans des bifurcations de taille industrielle (𝐷ℎ = 480 𝑚𝑚), en mélange de flux. Pour cela une base de données est présentée, qui combine des mesures locales et des prédictions numériques du dépôt d’aérosol dans des bifurcations. 

La production des données expérimentales a été réalisée sur l’installation DIESE de l’ASNR, un conduit aéraulique d’environ soixante mètres de long présentant plusieurs singularités (coudes, bifurcation et réduction de section), à l’aide du protocole expérimental développé par Costa et al. (2022a). Ce protocole permet la mesure de la masse d’aérosol déposé sur des zones de dimensions réduites (100 𝑐𝑚2) par rapport aux dimensions générales de l’installation, et ainsi de s'intéresser au dépôt local dans une géométrie donnée, contrairement aux études passées dont les mesures sont relatives à l'ensemble d'une paroi. 

En parallèle de ces essais, des simulations numériques sont réalisées sur le code commercial ANSYS Fluent pour la production de la base de données numériques. Pour ces simulations, le modèle de suivi lagrangien stochastique de particule est utilisé pour la modélisation du dépôt d’aérosol, en s’appuyant sur des écoulements calculés par deux modèles RANS, le k-ω SST et le RSM. Pour ces simulations, toute l’installation DIESE est modélisée et un maillage raffiné en paroi avec le centre de la première maille à 𝑦 + = 1 dans l’ensemble du domaine de calcul est utilisé. 

Un travail de comparaison avec l’expérience (anémomètre à fil chaud haute fréquence) et la littérature (DNS) de la modélisation de la vitesse et de la composante du tenseur de Reynolds longitudinales en proche paroi est réalisé, afin de valider la modélisation de ces grandeurs qui interviennent dans le calcul des trajectoires de particules du modèle de suivi lagrangien stochastique de particule. 

Un travail sur la présentation des résultats de dépôt local d’aérosol a également été réalisé car les zones étudiées sont situées dans un écoulement perturbé entrainant des variations de la vitesse de frottement. Or cette vitesse de frottement est utilisée pour la présentation de ce type de grandeur et est généralement prise comme une constante. Des tendances de dépôt similaires sont retrouvées entre les essais expérimentaux et les modélisations numériques, avec d’une part un dépôt majoritaire au sol de la bifurcation et d’autres part des structures de dépôt spécifiques au sol. De plus, des variations de ces tendances sont visibles en fonction de la géométrie de la bifurcation et du débit général dans l’installation. L’ensemble de ces données constitue une base de données de dépôt d’aérosol dans les bifurcations de grande taille, unique à notre connaissance.