Etude expérimentale de l’influence de la morphologie des agrégats de suies sur leur comportement thermophorétique

Experimental study on the influence of the morphology of soot aggregates on their thermophoretic behaviour

• Auteur / Autrice : Lyes Ait Ali Yahia
• Direction : Evelyne Gehin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 29/03/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'enseignement et de recherches Techniques et sociétés (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Le Coq
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Evelyne Gehin, Benoît Sagot, François-Xavier Ouf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Boulaud, Alfred Weber

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur

Thermophorèse

Aérosols

Mots clés libres

Aérosol

Suies de combustion

Thermophorèse

Coefficient de diffusion thermophorétique

Dépôt thermophorétique

Soot

Thermophoresis

Aerosol

Combustion Soot

Tehrmophoretic diffusion coefficient

Aggregates

Résumé

L’objectif principal de ce travail de recherche est d’améliorer les connaissances concernant l’influence de la morphologie de particules issues de combustion sur leur comportement thermophorétique. A cet effet, un dispositif tri-therme (3T) original permettant le dépôt par thermophorèse de ce type de particules a été développé. Cet instrument est composé de trois tubes concentriques, permettant la création d’un espace annulaire où un gaz chargé en particules est injecté. Le tube interne est refroidi et le tube externe est chauffé, créant ainsi un gradient de température dans l’espace annulaire. Les particules se déposent donc par effet thermophorétique sur la paroi froide du tube interne du dispositif. Ce dernier est basé sur la méthode dite de pénétration, où des mesures de concentrations à l’amont et à l’aval du dispositif permettent l’évaluation de l’efficacité de dépôt par effet thermophorétique. Un modèle du rendement de dépôt développé dans cette étude a permis par la suite de calculer le coefficient de diffusion thermophorétique Kth. Afin de valider la mise en œuvre de ce dispositif expérimental, nous avons évalué les coefficients Kth de billes de latex monodispersées et de deux types de brouillards d’huiles mono et polydispersés. Le bon accord trouvé entre ces valeurs du coefficient Kth et celles déterminées par le modèle de Beresnev et Chernyak ou par des études expérimentales antérieure, a permis la validation du dispositif 3T. Nous avons par la suite appliqué le dispositif avec des agrégats de suies de morphologie et de nature physico chimique variables. Les résultats obtenus mettent en évidence l’augmentation du coefficient de diffusion thermophorétique avec le nombre de particules primaires, et donc avec la taille de l’agrégat, confirmant ainsi les résultats obtenus par Mackowski et Brugière. Une confrontation entre les coefficients de diffusion thermophorétique Kth obtenus pour les différents types d’agrégats a été proposée. Cette confrontation a permis de dégager des tendances vis-à-vis de l’influence de la taille des particules primaires, de la dimension fractale Df et du ratio EC/TC sur le comportement thermophorétique des agrégats de suies

The main objective of this study is to improve the knowledge about the morphological influence of fractal aggregates on their thermophoretic behavior. For this purpose, an original tri thermal device aimed to capture this kind of particles by thermophoresis deposition was developed. This device is composed of three concentric tubes where particles flows through an annular space between the inner and outer tubes with imposed temperatures, the inner one is cooled and the outer is heated. Particles will deposit by thermophoresis on the cold wall of the inner tube. This device is based on the so called penetration method, where the deposition rate on a cold wall is obtained by particles concentrations measurements upstream and downstream of the test section. A deposition model developed in this study allowed us to determine the thermophoretic diffusion coefficient Kth. We validated the tri thermal device using monodispersed spherical latex particles and also mono and polydispersed spherical oil particles distributions. Indeed, a good agreement was found between our experimental determination of the thermophoretic diffusion coefficient and the theoretical values of Beresnev and Chernyak and also experimental results of the litterature. We finally conducted a study where we applied the device with soot aggregates that have variable morphology and physicochemical nature. This study confirmed the results presented by Mackowski and Brugière about the increase of the aggregates thermophoretic diffusion coefficients Kth with the primary particle number and therefore with the electrical mobility diameter. A confrontation between the coefficients Kth of the different types of aggregates allowed us to find an influence of the primary particles diameter, the fractal dimension Df and also the ratio EC/TC on the thermophoretic behavior of soot aggregates