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Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique énergétique

Par

Alexandre BESCOND

Soutenue le 16 septembre 2015

Contribution à la métrologie des nanoparticules de suie et à la caractérisation des particules produites par un générateur de référence
Jury VAILLON Rodolphe, Directeur de Recherche CNRS, UMR 5008 CETHIL, Lyon, France (Rapporteur)
CHAUMEIX Nabiha, Directrice de Recherche CNRS, UPR 3021 ICARE, Orléans, France (Rapporteur)
OUF François-Xavier, Ingénieur de Recherche IRSN, LPMA, Gif-sur-Yvette, France
D’Anna Barbara, Chargée de Recherche, IRCELYON, Lyon, France
GAFFIE Daniel, Chef de Projet, ONERA, PALAISEAU, France
COPPALLE Alexis, Professeur des universités, UMR 6614 CORIA, Rouen, France
ROZE Claude, Professeur des universités, UMR 6614 CORIA, Rouen, France (Directeur de thèse)
YON Jérôme, Maître de conférence, UMR 6614 CORIA, Rouen, France (encadrant)

Dans le cadre de ses réflexions sur l’impact de l’aviation civile sur l’environnement, le Réseau Thématique Aéronautique et Environnement (RTAE) du Conseil pour la Recherche Aéronautique (CORAC) a lancé une étude sur les traînées de condensation et les cirrus induits générés par le trafic aérien en altitude et leur impact sur l’environnement. Le projet dans lequel s’inscrit cette thèse (projet MERMOSE, financé par la Direction Générale de L’Aviation Civile) a pour objectif la caractérisation des émissions particulaires de moteurs aéronautiques et l’étude de leur réactivité avec l’eau. L’objectif du travail présenté dans ce mémoire et, dans le cadre du projet MERMOSE, est, tout d’abord, de contribuer au développement de la métrologie des aérosols produits par la combustion (la suie) puis, de mettre en œuvre ces outils afin de caractériser le plus finement possible les nanoparticules produites par un générateur d’aérosol de combustion de référence (le miniCAST 5201c) et par un moteur d’avion.

D’importants moyens de métrologie ont été mis en œuvre pour caractériser les propriétés morphologiques, physico-chimiques et optiques des nanoparticules de suie ainsi générées. Outre l’emploi d’appareils commerciaux standards (granulométrie SMPS, concentration massique TEOM, microscopie électronique en transmission MET…), des techniques optiques ont été mises en œuvre (dépolarisation, extinction spectrale) ainsi que des couplages de techniques conduisant, par exemple, à la détermination de la masse volumique effective ou encore à la détermination des propriétés optiques. Dans le cadre de ce travail, l’exploitation des résultats ainsi obtenus a été menée à l’aide de théories, modèles ou méthodes qui ont été soit conçus (modèle de masse volumique effective, analyse automatisée des clichés MET) ou améliorés (théorie de l’interaction lumière-agrégats RDG-FA avec prise en compte des effets de diffusion multiple au sein des agrégats de suie). Dans chaque cas, ces développements ont été menés dans un soucis constant de précision, en observant, par exemple, l’impact de la prise en compte d’une morphologie réaliste des agrégats de nanoparticules (recouvrement et jointure entre les sphérules primaires).

Ces couplages de mesures, ainsi que les méthodes d’exploitations proposées, ont permis d’accéder à des grandeurs essentielles telles que la distribution de taille des sphérules primaires, la dimension fractale des agrégats, la masse volumique de la sphérule, et leurs propriétés optiques, ouvrant notamment la voie à une spéciation optique des nanoparticules de suie par leur taux de composés organiques et leur état microstructural (amorphe / cristallin).

Le générateur miniCAST permet la génération stable et reproductible de particules de suie présentant des propriétés morphologiques et physico-chimique (et par conséquent optiques) variées. Il peut être utilisé comme substitut de suies générées par différentes sources.

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