Modélisation d'un collecteur électrostatique compact en régime laminaire pour la capture de bio-particules submicroniques aéroportées

par Quentin Lancereau

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, procédés, énergétique

Sous la direction de Jean-Luc Achard et de Jean-Maxime Roux.

Soutenue le 12-12-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire Composants intégrés pour le vivant / LCIV (laboratoire) et de Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (France) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Luc Reboud.

Le jury était composé de Roland Sarda Estève.

Les rapporteurs étaient Yves Brunet, Lucian Dascalescu.


  • Résumé

    La détection d'agents biologiques dans l'air ambiant est devenue un enjeu majeur notamment en environnement hospitalier et dans la protection contre le bioterrorisme. Dans ce contexte, la miniaturisation des dispositifs d'analyse permet d'envisager leur utilisation directement sur la zone d'étude. Afin d'obtenir un échantillon concentré et représentatif, la filtration de l'air reste cependant un point délicat. Parmi les différents principes exploitables pour la collecte de particules aéroportées, l'emploi des forces électriques semble être prometteur pour améliorer les performances des dispositifs qui se trouvent généralement fondés sur des forces inertielles. Dans cette étude, une modélisation fine des collecteurs électrostatiques a été conduite pour une géométrie fil / cylindre. Elle décrit tout d'abord les champs hydrodynamiques d'un écoulement charriant des inclusions dans lequel est imposée une décharge couronne. Une injection éventuelle de vapeur dans la chambre de collecte a nécessité ensuite la détermination des champs de température et concentration de la vapeur. Une analyse dimensionnelle inspectionnelle a montré que ces champs possèdent deux termes de couplage fort dont on a justifié l'omission dans cette étude ; les phénomènes physiques mis en jeu ont alors pu être classés selon une cascade d'influences non réciproques et la résolution numérique du modèle s'en est trouvée facilitée. Quatre configurations d'écoulement différentes, caractérisées par des recirculations d'origine électro hydrodynamiques, ont été identifiées et leurs impacts sur les rendements de collecte quantifiés. De plus, une procédure de dimensionnement des filtres électrostatiques fondée sur un nombre de Deutsch représentatif des rendements a été mise en place. Son exploitation a montré l'intérêt de la mise en parallèle de petits collecteurs pour filtrer des débits d'air importants. Cette étude s'est achevée par l'analyse des effets engendrés par l'injection de vapeur dans la chambre de collecte. Elle a jeté les bases d'une explication pour l'augmentation des rendements de collecte résultant de cette injection.

  • Titre traduit

    Modeling of compact electrostatic collector under laminar to capture airborne bio-submicron particles


  • Résumé

    Detection of airborne biological agents has become a major challenge especially in hospitals and the protection against bioterrorism. In this context, the miniaturization of analytical devices allows to consider their direct use in the field. To obtain a representative and concentrated sample, air filtration remains a delicate point. Among the various principles used to collect airborne particles, the use of electrical forces seems to be promising to improve performance beyond these of devices that are based on inertial forces.In this study, a detailed model of electrostatic collectors was developed in the wire/cylinder geometry. It first describes the hydrodynamic flow fields carring inclusions in which a corona discharge is imposed. Afterwards, the possible injection of steam into the collection chamber required the determination of the temperature and vapor concentration fields. An inspectionnal dimensional analysis justified the omission of two strong coupling terms. Therefore, in this study, the involved physical phenomena could be classified according to a non-reciprocal influences cascade and the numerical model is become simpler. Four different flow patterns, characterized by their electrohydrodynamic secondary flows, were identified and their impact on the collection efficiencies was quantified. In addition a design procedure of electrostatic filters, based on a representative efficiency Deutsch number, has been developed. This procedure shows the interest of parallelizing small collectors to filter important airflows. This study was completed by the analysis of the effects of steam into the collection chamber. It provides the basis for an explanation of the collection efficiencies increase related to this injection.


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