Modelling of nanoparticles laden jet from a conveying pipe leakage

par Hong Duc Le

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Éric Climent et de Pascal Fede.

Le président du jury était Olivier Dufaud.

Le jury était composé de Éric Climent, Pascal Fede, Anne Tanière, Simon Gant, Cristian Marchioli, Benjamin Truchot, Martin Sommerfeld.

Les rapporteurs étaient Anne Tanière, Simon Gant.

  • Titre traduit

    Modélisation d'un jet chargé en nanoparticules à partir d'une fuite de canalisation de transport


  • Résumé

    Depuis quelques années, les nanomatériaux sont de plus en plus utilisés dans les processus industriels. Afin de protéger la population et l'environnement des possibles conséquences lors de rejets accidentels de ces produits dans l'atmosphère, des analyses de risques ont permis d'identifier des scénarios accidentels dans le cas du transport, de la manipulation et du stockage. Parmi les cas de fuite non intentionnelle dans l'atmosphère libre, la fuite accidentelle sur un convoyeur peut générer un relargage massif de nanoparticules. Afin d’évaluer les conséquences de ce type de scénario accidentel, notre étude s’intéresse à la prédiction des propriétés du nuage de particules dispersées dans l’air, par exemple la concentration en nombre et la distribution des diamètres. La première étape de l’étude consiste à synthétiser les phénomènes physiques des nanoparticules dans l’air afin de choisir les phénomènes physiques les plus pertinants à modéliser. Les phénomènes physiques à modéliser sont la forme complexe des agglomérats, la force de traînée des agglomérats, la fragmentation des agglomérats par le fluide, la collision et l'agglomération des agglomérats. Ensuite, la modélisation des phénomènes physiques est développée dans l'outil CFD Code\_Saturne. Pour chaque phénomène physique, un cas de simulation numérique est réalisé pour vérifier le développement de la modélisation dans l'outil CFD. Une bonne comparaison des résultats CFD avec les résultats de modèle 0D de Scilab et les modèles dans la littérature est obtenue. Egalement dans notre étude, un nouveau modèle de la probabilité de collision des agglomérats est proposé. Ces nouveaux modèles sont validés par les expérimentations numériques. Ensuite, l'outil CFD développé est appliqué dans une simulation d'une fuite de canalisation de transport. La zone proche de la fuite est simulée par Code\_Saturne. Les résultats du Code\_Saturne sont utilisés comme les données entrées pour ADMS, un outil numérique de la dispersion des particules à grande échelle. Les résultats montrent que les particules sont dispersées plus de 1 km par rapport au terme source, ce qui est en accord avec la distance observée. En perspective, l'influence de plusieurs paramètres comme la vitesse du vent, les propriétés des particules comme la distribution de taille ou la concentration en agglomérats pourrait être testé. Une expérimentation de rejet des microparticules est réalisée à l'INERIS pour ensuite pouvoir étudier les rejets des nanoparticules à l'échelle laboratoire.


  • Résumé

    Since a few years, nanomaterials are more and more used in industrial process. In order to protect the population and the environment from the consequences of an accidental release into the atmosphere, the risk assessment allowed to identify the accidental scenario in transport, manipulation and storage of those products. The accidental leakage of the conveying pipe may lead to a massive release of nanoparticles. In order to evaluate the consequences of this type of accident, our study focuses on the prediction of particles properties dispersed into the air, for example the particle number concentration and the particle diameter distribution. The first step of the study consists in the analyse of physical phenomena related to nanoparticles in order to choose the most predominant physical phenomena to model. The relevant physical phenomena in the present configuration are the agglomerate complex shape, the drag force on agglomerates, the agglomerate breakage by gas, the agglomerate collision and the agglomeration. After that, the modelling of physical phenomena chosen is developed in CFD tool Code\_Saturne. For each physical phenomenon, a simulation test case is realized in order to verify the development in CFD tool. A good agreement between CFD tool Code\_Saturne and 0D tool from Scilab and model in the literature is obtained. Also in the present study, new model for the collision probability of agglomerates is proposed. This new model is validated with the numerical experiment. After that, the numerical tool developed is applied in a simulation of an accidental pipe leakage. The field near the leakage is simulated by Code\_Saturne. The results from Code\_Saturne is used as the input data for ADMS tool, a simulation tool for the particle dispersion in large scale. The results show that the particles are dispersed more than 1 km from the release source, which is in agreement with the distance observed. In perspective, the influences of different parameters as the wind field and the particle properties, on the agglomerate size and number distribution can be tested. An experiment of the microparticle jet is realized at INERIS in order to be able to assess the nanoparticle jet experiment in the laboratory scale.


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