Numerical modeling of aerosol particles scavenging by drops as a process of air depollution

Modélisation numérique de l’abattage humide comme procédé d’assainissement de l’air

Gaël Cherrier (1, 2)

1 LEMTA - Laboratoire d'Energétique et Mécanique Théorique et Appliquée
2 INRS ( Vandoeuvre lès Nancy) - Institut national de recherche et de sécurité (Vandoeuvre lès Nancy)

This PhD-Thesis is dedicated to the numerical modeling of aerosol particles scavenging by drops. Investigated situations are about aerosol particles of aerodynamic diameter ranging from 1 nm to 100 µm captured in the air by water drops of diameter varying between 80 µm and 600 µm, with corresponding droplet Reynolds number ranging between 1 and 100. This air depollution modeling is achieved in two steps. The first step consists in obtaining a scavenging kernel predicting the flow rate of aerosol particles captured by a drop in a situation where several collection mechanisms may take place (Brownian, phoretic, electrostatic and inertial scavenging). The aim of the second step is to propose a numerical simulation modeling the scavenging phenomenon. To do so, the scavenging simulation includes a RANS modeling for the air flow, a Lagrangian approach for the drops and an Eulerian approach for the aerosol particles. Thus, aerosol scavenging by drops is modeled by implementing the collection kernel defined previously into a sink term in the Diffusion-Inertia model of Zaichik et al., (2004)

Ce doctorat est consacré à la modélisation de l’abattage humide comme procédé d’assainissement de l’air. Les situations d’abattage humide étudiées concernent des particules d’aérosol de diamètre aérodynamique variant entre 1 nm et 100 µm capturées dans l’air par des gouttes d’eau de diamètre compris entre 80 µm et 600 µm (nombre de Reynolds de goutte dans la gamme [1 ; 100]). La modélisation de l’assainissement de l’air par abattage humide nécessite deux phases complémentaires. La première étape consiste à définir un noyau de capture calculant le débit d’aérosols capturés par une goutte dans une situation qui peut être complexe de par la grande variété de collectes différentes (brownienne, phorétique, électrostatique et inertielle). La deuxième étape repose sur la définition d’une approche de simulation numérique des phénomènes prenant place dans l’abattage humide. À cet effet, l’approche de simulation de l’abattage humide proposée comporte une modélisation RANS pour simuler l’écoulement de l’air, une approche lagrangienne donnant la trajectoire des gouttes d’eau et une méthode eulérienne permettant de suivre l’évolution du champ de concentration en particules d’aérosol. Ainsi, la capture de particules d’aérosol par des gouttes d’eau est modélisée via l’implémentation du noyau de capture précédemment défini dans un terme puits au sein du modèle Diffusion-Inertia de Zaichik et al., (2004)

Mots clés: Drop; Aerosol particle; Scavenging; Air depollution; Scavenging kernel; Microphysical modeling; Multiphase simulation; Computational fluid dynamics

Mots clés: Goutte; Particule d’aérosol; Abattage humide; Dépollution; Noyau de collecte; Modélisation microphysique; Simulation multiphasique; Mécanique des fluides numérique

Domaines: Génie des procédés; Physique Numérique [physics.comp-ph]

Gaël Cherrier. Modélisation numérique de l’abattage humide comme procédé d’assainissement de l’air. Génie des procédés. Université de Lorraine, 2017. Français. ⟨NNT : 2017LORR0306⟩. ⟨tel-01710078⟩