Étude de la dynamique des polluants particulaires dans un habitacle automobile

Study of Particulate Pollutant Dynamics inside a Car Cabin

• Auteur / Autrice : Mokhtar Djeddou
• Direction : Anne Tanière, Amine Mehel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Soutenance le 17/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Frédérique Larrarte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Tanière, Amine Mehel, Rémi Manceau, Serge Simoëns, Jeanne Malet, Georges Ndongo Fokoua
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Manceau, Serge Simoëns

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Aérosols

Dynamique des fluides

Particules (matière)

Automobiles -- Habitacles

Qualité de l'air

Mots clés libres

CFD

Particules fines et ultrafines

Diffusion-Inertia Model

Qualité de l'air intérieur

Dynamique des particules

Aérosols

CFD

Fine and ultrafine particles

Diffusion-Inertia Model

Indoor Air Quality

Particle dynamics

Aerosols

Résumé

La pollution de l'air, en particulier celle due aux particules fines et ultrafines, a des effets délétères considérables sur la santé humaine. Plusieurs études ont établi un lien direct entre l'exposition à la pollution particulaire et diverses maladies respiratoires et cardiovasculaires. À l'intérieur des véhicules, la menace est d'autant plus préoccupante en raison de concentrations importantes de polluants particulaires recensées. Par conséquent, l'amélioration de la qualité de l'air dans l'habitacle des véhicules est désormais une priorité majeure pour les constructeurs automobiles. Dans ce contexte, cette thèse vise à comprendre l'environnement intérieur des véhicules en caractérisant la distribution spatiale des polluants, en particulier des particules fines et ultrafines, en fonction de leur taille ainsi que de paramètres tels que la topologie de l'écoulement et le niveau de turbulence. Ces connaissances permettront notamment de cibler des solutions localisées de purification de l'air, d'optimiser l'emplacement des micro-capteurs qui équiperont de plus en plus les futurs véhicules, et de proposer des solutions pour une gestion efficace des systèmes de filtration en fonction de la répartition de ces particules et de leurs concentrations dans l'habitacle. Tout d'abord, une attention particulière a été accordée à la modélisation de l'écoulement monophasique. Deux approches de modélisation numérique ont été adoptées : l'approche RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), basée sur la résolution des champs moyens des équations de Navier-Stokes, et l'approche de simulation à grande échelle LES (Large Eddy Simulation), qui consiste à résoudre les grandes structures contenant la majeure partie de l'énergie cinétique et à modéliser la contribution des plus petites échelles. Dans le cas de l'approche RANS, divers modèles de fermeture du premier et du second ordre ont été testés et comparés. En outre, une analyse de la structure de turbulence de l'écoulement dans l'habitacle a été réalisée à l'aide de la méthode du diagramme d'anisotropie de Lumely (Anisotropy Invariant Mapping). Enfin, pour valider les résultats des modèles numériques, une campagne de mesures du champ de vitesse, basée sur la technique de l'anémométrie à fil chaud, a été menée dans l'habitacle d'une voiture de type SUV. Ensuite, la dynamique des polluants particulaires dans l'habitacle de la voiture a été étudiée à l'aide du modèle DIM (Diffusion-Inertia Model). Ce modèle eulérien de diffusion inertielle des particules permet de prendre en compte différents mécanismes de transport, notamment le transport par le champ moyen, l'effet des forces volumiques (i.e. la gravité), la déviation des particules par rapport aux lignes de courant du fluide (effets centrifuges), la diffusion brownienne et turbulente, et la turbophorèse ou le transport par les gradients d'énergie cinétique turbulente. Le modèle a d'abord été validé sur des configurations standard telles que la dispersion dans des enceintes ventilées de petite échelle, le dépôt dans des coudes circulaires à 90°, ainsi que dans le cas du transport de particules dans un jet rond. Le modèle a ensuite été appliqué à la simulation du transport de particules à l'intérieur d'un véhicule à grande échelle. L'influence de la taille des particules sur les champs de concentration internes a d'abord été analysée. Ensuite, l'influence de la présence de passagers a été étudiée. Enfin, une campagne de mesures de la concentration de particules dans l'habitacle a été réalisée afin d'évaluer la pertinence du modèle diphasique. Cette étude a permis le développement d'un modèle complet de simulation de la dispersion des polluants particulaires dans un habitacle en fonction de conditions de ventilation et de caractéristiques des particules.

Air pollution, especially that caused by fine and ultrafine particles, has significant deleterious effects on human health. Several studies have established a direct link between exposure to particulate pollution and various respiratory and cardiovascular diseases. Within vehicles, the threat is even more concerning due to the significant concentrations of particulate pollutants recorded. Therefore, improving air quality inside vehicle cabins is now a major priority for automotive manufacturers. In this context, this study aims to understand the interior environment of vehicles by characterizing the spatial distribution of pollutants, particularly fine and ultrafine particles, as a function of their size and parameters such as flow topology and turbulence level. This knowledge will be crucial for targeting localized air purification solutions, optimizing the placement of the micro-sensors that will equip future vehicles, and providing solutions for the more effective management of filtration systems as a function of the distribution and concentrations of these particles in the car cabin. First, special attention was devoted to modeling the single-phase flow. Two numerical modeling approaches have been adopted: the RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) approach, based on solving the mean flow fields of the Navier-Stokes equations, and the LES (Large Eddy Simulation) approach, which involves solving the large structures containing the major part of the kinetic energy and modeling the contributions of the smaller scales. In the case of the RANS approach, various closure models, of first- and second-order, have been tested and compared. Furthermore, the turbulence structure of the flow inside the car cabin has been analyzed using Lumley's Anisotropy Invariant Mapping method (AIM). Finally, to validate the results of the numerical models, a velocity field measurement campaign, based on hot-wire anemometry technique, was conducted inside the cabin of an SUV-type car. Next, the dynamics of particulate pollutants in the car cabin was studied using the Diffusion-Inertia Model (DIM). This Eulerian model of inertial particle diffusion takes into account various transport mechanisms, including transport by the mean field, the effect of volume forces (i.e., gravity), particle deviation from fluid streamline (centrifugal effects), Brownian and turbulent diffusion, and turbophoresis or transport by turbulent kinetic energy gradients. The model was first validated on standard configurations such as dispersion in small-scale ventilated enclosures, deposition in 90° circular bends, and particle transport in a round jet flow. The model was then applied to simulate particle transport inside a large-scale vehicle. The influence of particle size on internal concentration fields was first analyzed. Then, the influence of passenger presence was studied. Finally, a particle concentration measurement campaign was conducted in the cabin to assess the relevance of the two-phase model. This study has led to the development of a complete model for simulating the dispersion of particulate pollutants inside a car cabin based on ventilation conditions and particle characteristics.