Etude numérique de la remise en suspension des particules induite par la rotation d'une roue de véhicule

Numerical study of particle resuspension induced by a vehicle's rotating wheel

• Auteur / Autrice : Khaled Chekrouba
• Direction : Amine Mehel, Ahmed Benabed
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 10/04/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ESTACA'Lab (Saint-Quentin-en-Yvelines, Yvelines)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Iraj Mortezavi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ahmed Benabed, Katrine Sartelet, Laurent Keirsbulck, Amir Feiz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Katrine Sartelet, Laurent Keirsbulck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique

Roues

Modélisation CFD

Turbulence

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Remise en suspension

Écoulement turbulent

Cfd

Aérodynamique roue

Détachement des particules

Transport des particules

Écoulement turbulent

Particle resuspension

Turbulent flow

Wheel aerodynamics

Cfd

Particle detachment

Particle transport

Turbulent flow

Résumé

Les émissions de particules hors-échappement, en particulier celles provenant des routes, sont devenues un important contributeur à la pollution de l'air liée au trafic. Ces particules pourraient contribuer à plus de la moitié de la concentration totale dans l'air. Les présents travaux de recherche développent et valident une méthodologie numérique pour analyser la remise en suspension de particules induite par une roue en rotation. Ils se concentrent sur l'identification des zones d'émission ainsi eu sur la compréhension du rôle de l'écoulement de l'air dans le détachement et le transport des particules dans le sillage.L'étude commence par des simulations d'écoulements diphasiques dans des régimes d'écoulement sous-critiques et critiques autour de cylindres statiques et rotatifs. Cette configuration constitue un cas fondamental bien établi, étroitement lié aux écoulements induits par les roues, pour l'étude de la transition de la couche limite, de la séparation, de la topologie des sillages et le transport de particules entraînées par les structures tourbillonnaires. Les résultats mettent en évidence l'influence cruciale du choix du modèle de turbulence dans la capture des transitions laminaires-turbulentes et dans l'amélioration des prédictions de l'écoulement du sillage. La rotation du cylindre affecte de manière significative la topologie du sillage et la dispersion des particules, avec des variations en fonction du régime d'écoulement et de la taille des particules.En s'appuyant sur les résultats de l'étude de l'écoulement autour d'un cylindre, des simulations ont été réalisées pour une roue isolée en rotation sur un sol en mouvement. Les simulations ont permis de capturer les principaux phénomènes d'écoulement, notamment la séparation de la couche limite, le pompage visqueux et les tourbillons de sillage cohérents tels que les structures de jetting, de formes en fer à cheval ou d'arche. Pour la phase particulaire, un modèle de détachement des particules a été introduit afin de simuler le processus de détachement, tandis que le suivi lagrangien des particules a été utilisé pour représenter le transport des particules en interaction avec l'écoulement. Les résultats ont permis d'identifier les zones d'émission prédominantes pour différentes tailles de particules, de quantifier les taux d'émission des particules et de caractériser les trajectoires de dispersion des particules dans le sillage proche et lointain de la roue.Enfin, l'étude a examiné les effets de la vitesse (nombre de Reynolds), du rapport d'aspect de la roue et de la charge surfacique sur la remise en suspension des particules. Des vitesses plus élevées ont impliqué des structures instationnaires du sillage plus intenses, accroissant les émissions et prolongeant le transport des particules en aval de la roue. Les roues plus larges augmentent les zones de détachement et les interactions tourbillonnaires, amplifiant considérablement les émissions. Des charges surfaciques plus élevées ont augmenté la masse des particules remises en suspension tout en modifiant les zones de dépôt au sol. Les résultats de cette étude ont permis de mieux comprendre les interactions entre les particules et les tourbillons, en démontrant la contribution des structures tourbillonnaires au transport des particules dans le sillage proche et lointain de la roue, ainsi qu'au dépôt des particules au sol.Ce travail fournit une bonne compréhension des émissions de particules remise en suspension induites par le passage d'une roue, offrant une approche de simulation validée pour analyser la contribution de la remise en suspension des particules à la pollution de l'air dans divers scénarios urbains.

Non-exhaust particulate emissions, particularly from road dust, have emerged as a significant contributor to traffic-related air pollution. These particles could contribute to half of the particulate concentration found in the air. The present research develops and validates a numerical methodology to analyze particle resuspension induced by a rotating wheel. It focuses on identifying emission zones and understanding the role of airflow in particle detachment and transport within the wake flows.The study begins with simulations of particle-laden flows in subcritical and critical flow regimes around static and rotating cylinders. This configuration is a well-established fundamental case closely relevant to wheel-induced flows for investigating boundary-layer transition, flow separation, flow topology, and vortex-driven particle transport. Results highlight the critical influence of turbulence model choice in capturing laminar-to-turbulent transitions and improving wake flow predictions. Cylinder rotation significantly affects wake topology and particle dispersion, with variations depending on flow regime and particle size.Building on insights from the cylinder study, simulations were conducted for an isolated rotating wheel on a moving ground. The simulations captured key flow phenomena, including boundary-layer separation,” viscous pumping'', and coherent wake vortices such as jetting, horseshoe, and arch-shaped structures. For the particle phase, a particle detachment model was introduced to simulate the detachment process, while Lagrangian particle tracking was employed to simulate particle transport within the domain. The results allowed us to identify dominant emission zones for various particle sizes, quantify particle release rates, and characterize particles' dispersion patterns in the wheel's near and far wake.Finally, the investigation has further explored the effects of velocity (Reynolds number), wheel aspect ratio, and ground dust load on particle resuspension. Higher speeds intensified unsteady wake structures, enhancing emissions and extending particle transport downstream the wheel. Wider wheels increased detachment areas and vortex interactions, significantly amplifying emissions. Higher dust loads increased the resuspended particle mass while altering ground deposition patterns. The results of this investigation enhanced the understanding of particle-vortex interactions, demonstrating the contribution of vortical structures to particle transport in the wheel's near and far wake, as well as to particle deposition on the ground.This work provides a comprehensive understanding of wheel-induced particle resuspension emissions, offering a validated simulation approach for analyzing particle resuspension contribution to air pollution across diverse urban scenarios.