CE TRAVAIL PROPOSE UNE ETUDE NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT D'UN ECOULEMENT LIQUIDE TURBULENT CHARGE DE PARTICULES SOLIDES. LE CONTEXTE INDUSTRIEL EST CELUI DE L'ENCRASSEMENT PARTICULAIRE DES ECHANGEURS DE CHALEUR A PLAQUES. L'OBSERVATION VISUELLE AINSI QUE LES MESURES DE VELOCIMETRIE A L'INTERIEUR D'UNE MAQUETTE FONT APPARAITRE L'EXISTENCE DE STRUCTURES TOURBILLONNAIRES COHERENTES DE GRANDE DIMENSION ET CONFIRMENT LE LIEN ETROIT ENTRE LE DEPOT DE PARTICULES ET LA DYNAMIQUE DE L'ECOULEMENT. LES TOURBILLONS CONTRIBUENT A CREER DES ZONES PREFERENTIELLES DE CONTACT ENTRE PAROI ET PARTICULES ET FACONNENT LE DEPOT SELON UN MECANISME PRECIS. DEUX PROCESSUS D'ARRACHEMENT DU DEPOT ONT EGALEMENT ETE MIS EN EVIDENCE. LES PHENOMENES HYDRAULIQUES ET LES COMPORTEMENTS PARTICULAIRES MIS EN EVIDENCE DANS L'ETUDE EXPERIMENTALE SONT COMPARES A DES CAS TYPES DANS UNE ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE. UNE ETUDE NUMERIQUE BASEE SUR L'UTILISATION DU LOGICIEL TRIO - DEVELOPPE AU COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE, CEA PERMET DE COMPLETER L'ETUDE EN S'ATTACHANT A PREDIRE LE COMPORTEMENT DES PARTICULES, COUPLE DE FACON DYNAMIQUE A L'ECOULEMENT TURBULENT. L'APPROCHE EST BASEE SUR UN COUPLAGE ENTRE LA SIMULATION PSEUDO-DIRECTE DE L'ECOULEMENT TURBULENT ET UN MODELE LAGRANGIEN POUR LES TRAJECTOIRES DES PARTICULES. LES RESULTATS OBTENUS ONT PERMIS DE CONCLURE A UN BON ACCORD QUALITATIF ENTRE LES RESULTATS NUMERIQUES ET LES MESURES EXPERIMENTALES. LA DISPOSITION DU DEPOT SUR LA SURFACE DU CANAL EST GLOBALEMENT RETROUVEE PAR LA SIMULATION NUMERIQUE. L'INFLUENCE DE CERTAINS PARAMETRES SUR LE PHENOMENE D'ENCRASSEMENT COMME LE REGIME D'ECOULEMENT (RE=5000 OU RE=10000), LA DISPOSITION HORIZONTALE OU VERTICALE DU CANAL OU LE DIAMETRE DES PARTICULES (D#P=100 M OU D#P=25 M) A ETE ETUDIEE

ETUDE DE LA DIFFUSION D'UN AEROSOL DANS UN ECOULEMENT TURBULENT. REVUE BIBLIOGRAPHIQUE DE DIFFERENTES DESCRIPTIONS DE LA DIFFUSION TURBULENTE: MODELES DE FERMETURE A GRADIENT, FORMALISME DEVELOPPE A PARTIR DE METHODES PERTURBATIVES PAR KRAICHNAN ET PROCESSUS DE MARKOV. AVANTAGES ET RESTRICTIONS DES DIFFERENTES APPROCHES. MISE EN OEUVRE D'UN MODELE STOCHASTIQUE AYANT EN OUTRE L'AVANTAGE DE PERMETTRE UNE REPRESENTATION PHYSIQUE AISEE DES PHENOMENES ETUDIES. ETUDE DES RELATIONS EXISTANT ENTRE LE COMPORTEMENT STATISTIQUE INDIVIDUEL D'UNE PARTICULE ET CELUI D'UN NUAGE DE GOUTTELETTES. APPLICATION A LA TURBULENCE DE GRILLE

Ce travail numérique est une contribution à l'étude de la qualité de l'air liée à la présence de polluants particulaires dans les locaux. Après l'analyse physique des interactions subies par les particules injectées dans un écoulement fluide, nous avons développé un outil numérique permettant de simuler le comportement des particules dans les écoulements faiblement turbulents typiques du bâtiment, en faisant l'hypothèse que les particules n'influencent pas l'écoulement et que les interactions particule - particule peuvent être négligées. La dispersion des particules dans le fluide en écoulement est résolue par une approche lagrangienne qui consiste à simuler un certain nombre de trajectoires à partir desquelles les grandeurs moyennes caractérisant le comportement des particules sont ensuite obtenues statistiquement. Pour cela, les vitesses instantanées du fluide sont obtenues par tirages aléatoires, à partir des champs moyens de l'écoulement et des corrélations spatiales et temporelles. A ce stade du travail, nous avons testé plusieurs modèles de prédiction des caractéristiques instantanées du fluide, et nous avons retenu celui qui semblait le plus approprié à la modélisation des configurations qui nous intéressent. Pour la construction de la trajectoire d'une particule discrète on résout la relation dynamique établie à partir du bilan des forces agissant sur la particule. Les résultats obtenus dans le cas d'une turbulence de grille sont comparés à des résultats expérimentaux. Nous avons également étudié l'influence de la précision de la prédiction des caractéristiques turbulentes de l'écoulement sur la dispersion des particules, ainsi que la capacité des modèles de turbulence basés sur une décomposition en moyennes temporelles à résoudre correctement les écoulements turbulents. Finalement, le modèle de dispersion des particules a été utilisé pour caractériser la déposition de particules sur les parois dans un écoulement turbulent confiné correspondant à la configuration d'une cavité agitée.

NOTRE ETUDE PORTE SUR LA CARACTERISATION D'UN JET D'AIR TURBULENT CHARGE DE PARTICULES OU DE GOUTTELETTES. ELLE SE PLACE DANS LE CADRE D'UNE COOPERATION ENTRE LE CEMAGREF ET DES PARTENAIRES INDUSTRIELS. LE BUT ULTIME DE L'ETUDE EST LE TRANSFERT VERS CES PARTENAIRE INDUSTRIELS DU MAXIMUM DE CONNAISSANCES UTILISABLES POUR LE DEVELOPPEMENT ET L'AMELIORATION DE SES PRODUITS. EN CE SENS, L'ETUDE SE VEUT LA PLUS COMPLETE POSSIBLE. NOUS AVONS EGALEMENT LE SOUCIS DE PRODUIRE DES RESULTATS APPLICABLES ET D'UTILISER ET DE DEVELOPPER DES TECHNIQUES D'ETUDE SUSCEPTIBLES D'ETRE ADOPTEES PAR LES PARTENAIRES A L'ISSUE DE NOTRE COLLABORATION. NOTRE ETUDE PORTE SUR LA DYNAMIQUE PURE DE L'ECOULEMENT. DE PLUS, NOUS NOUS INTERESSONS A UN MODELE REDUIT ET SIMPLIFIE DES PRODUITS DE NOS PARTENAIRES QUI OFFRE DES DEBITS, ET DONC UNE PORTEE, PLUS FAIBLES, CE QUI PERMET LE MONTAGE D'UNE INSTALLATION EXPERIMENTALE EN LABORATOIRE OU ON CONTROLE PARFAITEMENT L'ENVIRONNEMENT DANS LEQUEL LE JET FONCTIONNE. CE MEMOIRE CONSISTE EN TROIS PARTIES. LA PREMIERE PRESENTE LES BASES FONDAMENTALES DES PHENOMENES QUI ENTRENT EN JEU DANS LES ECOULEMENTS TURBULENTS DIPHASIQUES A PHASE DISPERSEE, PUIS DRESSE UN ETAT DE L'ART SUCCINT DES CONNAISSANCES ET MOYENS D'ETUDE POUR CE TYPE D'ECOULEMENTS. LA SECONDE PARTIE DETAILLE NOTRE ETUDE EXPERIMENTALE, LES TECHNIQUES EMPLOYEES ET LES RESULTATS OBTENUS. UNE TROISIEME PARTIE PRESENTE LE TRAVAIL EFFECTUE SUR LE DEVELOPPEMENT D'UN OUTIL NUMERIQUE DE PREDICTION DE L'ECOULEMENT, NOTRE BASE DE DEPART, LES MODELES PASSES EN REVUE POUR LES DIFFERENTS PHENOMENES ET LES PREMIERS RESULTATS OBTENUS.

DANS CE TRAVAIL, L'ETUDE DE L'INTERACTION PARTICULES-ECOULEMENT APPORTE DES REPONSES A LA QUESTION DE LA CONTAMINATION AERIENNE EN BIOCLIMATOLOGIE (DANS CE PROCESSUS, L'ETAPE DE LA LIBERATION DES PARTICULES EST CENTRALE) ET EN POLLUTION URBAINE. NOUS AVONS PROPOSE UNE NOUVELLE APPROCHE DE MODELISATION DE LA LIBERATION DES PARTICULES SITUEES DANS LA SOUS-COUCHE LAMINAIRE D'UNE COUCHE LIMITE TURBULENTE. L'EFFET PERTURBATEUR DE LA PARTIE TURBULENTE DE LA COUCHE LIMITE SUR LA PARTIE VISQUEUSE A ETE SIMULE PAR UNE INTERACTION ENTRE UNE STRUCTURE TOURBILLONNAIRE ET UNE COUCHE LIMITE LAMINAIRE. L'ARRACHEMENT DE PARTICULES SE PRODUIT QUAND LES FORCES DU FLUIDE INDUITES A LA PAROI PAR CE MECANISME SONT SUPERIEURES AUX FORCES D'ADHESION ENTRE LES PARTICULES ET LA SURFACE. NOUS AVONS DEVELOPPE UN DISPOSITIF POUR LA CARACTERISATION EXPERIMENTALE DE LA LIBERATION. L'UTILISATION DE LA VELOCIMETRIE LASER A EFFET DOPPLER PERMET UNE MESURE DE LA VITESSE DE SPORES QUI EST NON INTRUSIVE ET D'UNE PRECISION ELEVEE. LA MESURE SIMULTANEE DE LA VITESSE ET DE LA TAILLE DE PARTICULES A ETE EXPLOITEE POUR ESTIMER LE TRANSPORT DE PARTICULES DANS UN ECOULEMENT DONNE. NOUS AVONS EGALEMENT ABORDE L'ETUDE D'UN AUTRE TYPE D'INTERACTION PARTICULES-ECOULEMENT, CONCERNANT CETTE FOIS-CI LA DISPERSION DE POLLUANTS DANS UNE RUE CANYON. L'ETUDE DU TRANSPORT DE POLLUANTS A L'ECHELLE URBAINE EST MODELISEE DANS UN PREMIER TEMPS PAR UNE INTERACTION ENTRE UNE COUCHE LIMITE (CARACTERISTIQUE DE LA COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE) ET UNE ENCOCHE (RUE CANYON). LA DYNAMIQUE SPATIO-TEMPORELLE A ETE QUANTIFIEE PAR DES MESURES DE VITESSES LOCALES ET GLOBALES. LES MESURES DE VELOCIMETRIE LASER A EFFET DOPPLER FOURNISSENT LES HISTOGRAMMES DES FLUCTUATIONS DE VITESSE DES POINTS SPECIFIQUES DE L'ECOULEMENT. UNE NOUVELLE TECHNIQUE BASEE SUR LE FLOT OPTIQUE A ETE APPLIQUEE POUR LE CALCUL DES CHAMPS DE VITESSES.

LES TRAVAUX CONCERNENT LA DISPERSION DE PARTICULES RIGIDES DANS DES ECOULEMENTS LAMINAIRES ET TURBULENTS, EN TENANT COMPTE DES EFFETS DE ROTATION PARTICULAIRE. ON A QUANTIFIE DANS UN PREMIER TEMPS LE COMPORTEMENT DE SPHERES DE DIFFERENTS DIAMETRES LIBEREES DANS LE CHAMP DE VITESSE D'UN JET PLAN LAMINAIRE, EN CONSIDERANT A LA FOIS LE MOUVEMENT DE TRANSLATION ET DE ROTATION DE CES PARTICULES. ON PROPOSE ENSUITE UN MODELE STOCHASTIQUE DE SIMULATION DES FLUCTUATIONS DE GRADIENTS DE VITESSE ET DU ROTATIONNEL POUR LES ECOULEMENTS TURBULENTS. CE MODELE EST INTEGRE DANS UN CODE DE CALCUL DE TRAJECTOGRAPHIE EULERIENNE-LAGRANGIENNE ET UTILISE, DANS LE PRESENT TRAVAIL, POUR SIMULER LA DISPERSION TURBULENTE DE PARTICULES DE TAILLE DIVERSE DANS DES ECOULEMENTS STANDARD DE TURBULENCE DE GRILLE. CETTE DISPERSION AYANT ETE CARACTERISEE EXPERIMENTALEMENT PAR AILLEURS (SNYDER & LUMLEY, WELLS & STOCK). LES TRAJECTOIRES DES PARTICULES SONT CALCULEES PAR RESOLUTION NUMERIQUE D'UNE EQUATION DE ODAR ET HAMILTON MODIFIEE, INCLUANT LES FORCES DE PORTANCE DE SAFFMAN ET DE RUBINOW & KELLER. CES ETUDES NUMERIQUES ONT PERMIS D'EVALUER L'INFLUENCE DE LA ROTATION SUR LES TRAJECTOIRES PARTICULAIRES ET SUR LES DIFFUSIVITES TURBULENTES, ET DE MIEUX COMPRENDRE LES MECANISMES DE LA DISPERSION SOUS L'EFFET DE CES FORCES DE PORTANCE