Titre : Amélioration de la simulation numérique de la formation de l’aérosol suie dans les flammes.
Date : 15 Novembre 2021, 14h
Lieu : Salle de Conférences du CORIA (passe sanitaire et port du masque obligatoires)
Lien de connexion visio: https://webtv.univ-rouen.fr/lives/soutenances-coria/
Jury:
Dr Daniel Ferry (Rapporteur, présentiel)
Pr Laurence Le Coq (Rapportrice, présentiel)
Pr Alfred Weber (Examinateur, distanciel)
Pr Andrés Fuentes (Examinateur, présentiel)
Dr Reza Kholghy (Examinateur, distanciel)
Pr Claude Rozé (Examinateur, présentiel)
Dr Jérôme Yon (Directeur de thèse, présentiel)
Dr Eleonore Riber (membre invitée, présentiel)
Dr Alexandre Poux (membre invité, présentiel)
Mots clefs: Suie ; Nanoparticules ; DEM ; Monte Carlo ; Agrégats ; Morphologie
Résumé:
Les particules de suie ont été identifiées comme le second facteur prédominant dans le réchauffement climatique (juste après le CO2). Par ailleurs, ces particules sont des cancérogènes avérés. Leurs propriétés radiatives et sanitaires sont largement dépendantes de leur morphologie.
On constate également que la prise en compte de la morphologie de la suie dans la modélisation des processus liés à sa formation n’est que très peu considérée dans les modèles et codes actuels et représente un véritable défi. Enfin, la simulation de particules de morphologies réalistes est nécessaire à l’élaboration de modèle d’interaction lumière-particules fiables. La forme des particules de suie résulte de la compétition entre différents mécanismes liés à la formation de la suie au sein même de la flamme. Dans cette thèse, une nouvelle approche est proposée afin de simuler l’évolution de la morphologie des particules de suie dans les flammes. Il s’agit d’un modèle de type Monte Carlo à éléments discrets, appelé MCAC autorisant la prise en compte de la variation des conditions thermodynamiques rencontrées par les particules le long de leurs trajectoires au sein même des flammes. Outre l’agrégation des particules pilotée par le mouvement Brownien, MCAC considère la nucléation, la croissance de surface, l’oxydation et la
fragmentation des particules de suie. Ce code est couplé à des simulations CFD résolvant la chimie de la flamme, la dynamique des fluides et le transfert de masse entre la phase gazeuse et la phase particulaire. Ceci permet une simulation réaliste de la formation des particules de suie dans des flammes de diffusion que ce soit en termes de taille et de morphologie. Cette étude révèle de façon détaillée la dynamique de la formation de la suie en prenant en compte le changement de régime de l’écoulement et de régime d’agrégation. Ces changements de régimes ont un impact considérable sur la distribution de taille, la cinétique d’agrégation et la morphologie des suies. On montre que l’agglomération conduit toujours à une distribution de taille auto-préservée répondant à la famille des distributions Gamma généralisées pouvant être exprimées à partir de différents diamètres équivalents. Le recouvrement des sphérules primaire a pu être simulé grâce à la prise en compte des phénomènes physiques tels que la croissance de surface. En outre, ceci a permis l’obtention de fonctions analytiques prenant en compte l’effet du recouvrement des monomères sur la morphologie des agrégats, leur volume, leur surface ou encore sur les lois de projections 3D-2D utiles à l’analyse de clichés de microscopie électronique. De nouvelles expressions de probabilités de collision et de collage des suies sont introduites à partir d’une approche énergétique prenant en compte le changement de la composition des particules au fur et à mesure de leur maturation. On montre ainsi que le collage des particules de suie lors des collisions n’est systématique que pour les monomères supérieures à 10 nm. Enfin, le couplage de MCAC avec les simulations CFD a révélé l’évolution détaillée de la morphologie des particules pour différentes trajectoires dans une flamme de diffusion. Bien que la stratégie de couplage soit simplifiée, elle a montré des signatures morphologiques marquées et robustes des agrégats de suie générés sous différentes trajectoires dans la flamme.