Étude numérique de la remise en suspension de particules déposées sur le sol des ambiances habitables

Numerical study of the resuspension of particles deposited on the floor of living environments

• Auteur / Autrice : Amir Boulbair
• Direction : Walter Bosschaerts, Karim Limam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 20/06/2022
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École Royale Militaire (Bruxelles)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Walter Bosschaerts, Karim Limam, Cristiana-Verona Croitoru, Didier Defer, Delphine Laboureur, Marijke Vandewal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cristiana-Verona Croitoru, Didier Defer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Locomotion humaine

Chaussures

Suspensions (chimie)

Particules (matière)

Air confiné -- Pollution

Mots clés libres

Qualité de l'air intérieur

Remise en suspension des particules

Flux d'air induit

Vitesse de marche

Modélisation numérique

Indoor air quality

Particle resuspension

Induced airflow

Walking speed

Numerical

Résumé

L'une des principales sources de pollution dans les environnements intérieurs est la remise en suspension de particules générées par la marche humaine. L’objectif de cette thèse est d’étudier numériquement la remise en suspension générée par la rotation d’une chaussure pendant la marche. La première partie de cette thèse présente une étude bibliographique des connaissances de la pollution particulaire. Les différentes études numériques et expérimentales sur la remise en suspension générée par la marche humaine sont recensées. Nous terminons la première partie par une présentation des différents modèles théoriques pour modéliser l’écoulement au-dessous d’un pied. Dans la deuxième partie nous exposons et nous analysons les différents modèles de remise en suspension des particules provenant d’une surface. Dans la troisième partie, l'écoulement d'air généré par la rotation d’une chaussure a été étudié numériquement à l'aide du logiciel ANSYS CFX. La méthode des frontières immergées a été utilisée pour incorporer la chaussure dans un domaine de calcul tridimensionnel. Une étude préliminaire avec une plaque large a été réalisée afin de choisir les meilleurs paramètres pour nos simulations (maillage, modèle de turbulence et test de convergence). Le modèle de turbulence k-ω SST a été choisi pour simuler le champ d'écoulement d'air instationnaire autour et sous la chaussure. Les effets de la vitesse et le type de marche, la taille de la chaussure et le motif des rainures de la semelle (rainures transversales, rainures longitudinales et absence de rainures) ont été étudiés. Les simulations numériques ont montré que pendant la rotation de la chaussure l'air sous la chaussure est éjecté sous forme de jet de parois. Après que la chaussure touche le sol, des tourbillons contrarotatifs se sont formés autour de la chaussure. Ces structures translatent horizontalement et s’éloignent progressivement de la chaussure. Dans la dernière partie, les fractions de particules remises en suspension ont été estimées à l'aide du modèle Rock 'n'Roll. En plus des paramètres étudiés dans la partie précédente, trois différentes combinaisons particules-substrat (ATD-linoléum, PSL-linoléum et alumine-acier) ont été testées. Les résultats du présent travail ont été comparés avec des travaux expérimentaux antérieurs, et un bon accord a été trouvé. Les résultats montrent que pour les différents cas étudiés, la fraction de remise en suspension varie sur six ordres de grandeur, de 10-5 à 10. Les fractions de remise en suspension des particules augmentent avec la taille des particules et la vitesse de marche. Le type de marche peut influencer la fraction remise en suspension de plusieurs ordres de grandeur. De plus, la fraction de remise en suspension diminue en réduisant la taille de la chaussure. Cependant, aucune influence significative des motifs des rainures des chaussures n'a été observée.

One of the main sources of pollution in indoor environments is the resuspension of particles generated by human walking. The objective of this thesis is to study numerically the resuspension generated by the rotation of a shoe. The first part of this thesis presents a literature review of particle pollution knowledge. The different numerical and experimental studies on resuspension generated by human walking are listed. We conclude the first part with a presentation of the different theoretical models to model the flow under a foot. In the second part we present and analyze the different models of resuspension of particles from a surface. In the third part, the airflow generated by the rotation of a shoe was studied numerically using the ANSYS CFX software. The immersed solid method was used to incorporate the shoe into a three-dimensional computational domain. A preliminary study with a large plate was carried out in order to choose the best parameters for our simulations (mesh, turbulence model and convergence test). The k-ω SST model was chosen to simulate the unsteady airflow field around and under the shoe. The effects of walking speed, type of walking, shoe size and shoe groove pattern (transverse grooves, longitudinal grooves and no grooves) were studied. Numerical simulations showed that the air under the foot was ejected as a wall jet. After the shoe touches the ground, counter-rotating vortices were formed around the shoe. In the last part, the particle resuspension fraction was studied using the Rock 'n' Roll model. In addition to the parameters studied in the previous section, three different particle-substrate combinations (ATD-linoleum, PSL-linoleum and alumina-steel) were tested. The particle resuspension results were compared with previous experimental work, and good agreement was found. The results show that for the different cases studied, the resuspension fraction varies over six orders of magnitude, from 10-5 to 10. The particle resuspension fractions increase with the particle size and the walking speed. The type of walking can influence the resuspension fraction by several orders of magnitude. In addition, the resuspension fraction decreases with decreasing shoe size. However, no significant influence of shoe groove patterns was observed.