Modélisation d'une population d'aérosols multi-sources et recherche des contributions de chaque source à l'échelle urbaine avec le modèle de dispersion CHIMERE

par Hilel Dergaoui

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Christian Seigneur.

Le président du jury était Jean-François Doussin.

Le jury était composé de Christian Seigneur, Robert Rosset, Edouard Debry, Karine Sartelet, Olivier Le-Bihan.

Les rapporteurs étaient Laurence Le Coq, Laurent Menut.


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est le développement et la validation d'un modèle numérique de la dynamique des particules en mélange externe et résolu en taille. Afin de suivre plusieurs compositions chimiques par classe de tailles, une nouvelle approche est présentée dans laquelle la composition chimique des particules est elle-même discrétisée suivant la fraction d'un ou plusieurs des constituants chimiques (e.g. suie, sulfate). Cette approche a pour but de mieux simuler l'évolution d'une population de particules à l'échelle locale et de particulariser des compositions chimiques typiques de certaines sources. Dans l'atmosphère, les particules interagissent essentiellement entre elles et avec les polluants gazeux par coagulation et condensation/évaporation. La première partie de la thèse a été consacrée à l'élaboration du modèle pour la coagulation, processus physique qui s'avère le plus complexe à modéliser selon notre approche du mélange externe. Dans un premier temps, les équations de la coagulation en mélange externe sont présentées et discrétisées suivant un nombre arbitraire de classe de tailles et de compositions chimiques. Plusieurs simulations numériques ont ensuite été effectuées avec ce modèle sur un même cas d'étude, en utilisant deux, trois et quatre composants chimiques. On vérifie à chaque fois que les résultats de la simulation numérique en mélange externe sont cohérents avec ceux du mélange interne du cas d'étude. Les résultats de ces simulations permettent d'apprécier l'effet de mélange de la coagulation qui produit, à partir de particules monocomposées, des particules bicomposées et tricomposées. Étant donné la complexité croissante d'un tel modèle, une attention toute particulière a été portée à l'implémentation numérique et à l'optimisation des algorithmes choisis. L'extension de cette approche à la condensation/évaporation constitue le prochain développement de ce modèle, nous en posons les bases théoriques en annexe. S'il existe aujourd'hui des données de mesure résolues en taille (SMPS), il n'y en a pas encore qui puissent être réellement validantes pour ce modèle de mélange externe, c'est-à-dire qui distinguent quantitativement plusieurs compositions chimiques par classe de taille. Aussi, dans la seconde partie de la thèse, nous avons envisagé le protocole d'une expérience en chambre permettant de mettre en évidence le mélange par coagulation de deux populations de particules de compositions différentes et d'apporter des données validantes pour le modèle développé. Deux séries d'expériences ont été menées, la première dans la chambre de grand volume CESAM et la seconde, dans le réacteur de petit volume de l'INERIS. La première série a mis en évidence l'homococagulation de chaque distribution polydispersée prise séparément et dans une moindre mesure, l'hétérocoagulation des deux distributions de nature différentes (NaBr et KBr) entre elles. La seconde série a montré la possibilité d'observer simultanément deux distributions monodispersées de particules de compositions différentes (CaSO4 et KBr), prérequis pour ce cas. Au final, les résultats de mesure se sont avérés insuffisants pour produire des données validantes pour le modèle, à cause du trop grand écart-type des distributions polydispersées dans la chambre de grand volume et à cause du dépôt au paroi qui domine dans le réacteur de petit volume. Des analyses au microscope électronique ont cependant attesté de la présence de particules issues de la coagulation entre les deux natures. A la suite des différentes expériences menées, nous revenons sur le protocole envisagé et proposons quelques pistes d'améliorations

  • Titre traduit

    Modelling of a population of aerosol multi-sources and research for contributions of every source in the urban scale with the model of dispersion CHIMERE


  • Résumé

    The objective of this thesis is the development and validation of a numerical size resolved and externally mixed model of the particle dynamics. In order to trace several chemical compositions for each size class, a new approach is presented in which the particle chemical composition is itself discretized according to the mass fraction of one or several of its components (e.g. soot, sulfate). This approach aims to improve the simulation of the particle population evolution at local scale and to emphasize chemical compositions which are specific to some sources. In atmosphere, particles interacts essentially between themselves and gaseous pollutants through coagulation and condensation/evaporation. The first part of this thesis is dedicated to the model development for the coagulation process, which happens to be the most complex to model with our external mixing approach. First, coagulation equations in external mixing were set up and discretized with an arbitrary number of size and chemical composition classes. Several numerical simulations were then performed with this model according to the same case 6 study, using two, three and four chemical components. We checked each time that the simulation results in external mixing agreed well with those of the case study internal mixing. The results of these simulations are useful to understand how coagulation mix particles and produces, from monocomposed ones, bicomposed and tricomposed particles. Given the growing complexity of such a model, the numerical implementation has been carried out with carefullness and algorithms have been optimized. The extension of this approach to condensation/evaporation is the next development step of this model, the theoretical basis are adressed in appendix. Size resolved particle measurements (SMPS) do exist nowadays, but truely suitable data to validate the external mixing model still lack, that is to say measurements which would quantitatively distinguish several chemical compositions per size class. That is why, in the second part of this thesis, we considered the protocol of a chamber experiment allowing to highlight the mixing by coagulation of two particle populations with distinct compositions and to bring validating data for the model developed. Two series of experiments were conducted, the first one with the CESAM large volume chamber and the second, with the small reactor of INERIS. The first serie underlined the homocoagulation of each polydispersed distribution taken separately and to a lower extent, the heterocoagulation of the two distributions of different kinds (NaBr et KBr) between themselves. The second serie showed the possibility to observe simultaneously two monodispersed distributions of particles with different compositions (CaSO4 et KBr), which was required in this case. Finally, measurement results happened to be insufficiant to produce validating data for the model, because of the great deviation of polydispersed distributions in the large volume chamber and because of the dominating wall losses in the small reactor. However, some microscope electronic analysis showed evidences of particles produced from coagulation between both kind of particles. Further to these experiments, we come back to the planed protocol and propose some improvements


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