Simulation CFD des salles blanches

La simulation CFD est un outil très pratique quand il s’agit d’étudier la remise en suspension et le transfert des particules déposées dans une salle propre.

Différentes techniques numériques peuvent être mises en œuvre en fonction des conditions et des besoins.

Les besoins en ventilation d’une salle propre sont mieux définis lorsqu’il est possible de calculer l’équilibre entre les sources de contamination et l’apport d’air propre.

Pour cela, la simulation CFD est un outil avantageux mais qui nécessite des informations les plus précises possible sur les sources qui seront effectivement présentes (personnes, équipements, matériaux).

La remise en suspension des particules déposées sur les surfaces est un paramètre important puisque ces surfaces deviennent des sources potentielles selon leur nature. La vie de la salle (contamination ponctuelle, mode réduit) et la trajectoire des particules depuis les sources primaires (sédimentation, impaction).

Une particule posée sur une surface peut être libérée de cette surface lorsqu’on lui apporte une énergie suffisante pour dépasser les forces d’adhérence qui l’y maintiennent :

  • Forces électrostatiques (lorsque les charges sont opposées) ;
  • Forces de van der Waals (interaction des molécules de la particule avec celles de la surface) ;
  • Force de capillarité (en cas de présence d’un film humide à la surface des matériaux).

L’attraction de ces forces varie, et ce de manière différente, lorsque les caractéristiques de la particule (taille, densité, forme, charge électrique) et les conditions environnementales changent.

Si la quantité de particules présentes sur la surface est importante, se forment alors des couches supérieures pour lesquelles une force cohésive interarticulaire est à considérer, mais également un affaiblissement des forces de surface avec l’éloignement à celle-ci.

En salle propre, on peut souvent considérer que les particules sont isolées entre elles. Si ce n’est pas le cas, il est alors nécessaire de prendre en compte les forces cohésives liant les particules, qui peuvent former des groupes de géométrie plus ou moins complexe.

De même, la forme des particules et les aspérités des surfaces de dépôt sont des caractéristiques importantes dans l’évaluation du détachement. On remarque qu’il est difficile d’intégrer cette complexité à un modèle CFD d’échelle supérieure au mètre.

Les particules sont traitées à la manière d’un deuxième fluide, sans pouvoir distinguer la trajectoire d’une particule individuelle. Il s’agit donc d’un traitement statistique qui permet de simuler la concentration des particules en prenant en compte les caractéristiques de taille et densité.

En effet, les particules massiques soumises à la pesanteur et à l’inertie peuvent rebondir ou rester attachées aux surfaces.

Selon le besoin, il est possible d’ajouter des forces extérieures par des fonctions spécifiques intégrées ou à développer (électrostatique, adhésion aux surfaces, élasticité lors des chocs).

Dans cette approche eulérienne, le traitement de la mise en suspension nécessite d’implémenter une loi pour utiliser le taux de mise en suspension, puis de traiter la dissémination par interaction avec les mouvements d’air.

Cette méthode a par exemple été appliquée pour étudier la remise en suspension de particules par un marcheur.

Cette approche est adaptée aux études nécessitant de quantifier les particules

  • Bilan de transport depuis une source, dispersion, contamination ;
  • Remise en suspension de particules par l’intermédiaire de modèles ;
  • Fonctionnement de procédés de filtration dynamiques, de capteurs ;
  • Positionnement de capteurs pour le monitoring particulaire ;
  • Efficacité de procédés d’épuration localisés.

L’approche lagrangienne permet quant à elle un traitement individuel des particules au détriment du temps de calcul. Il en découle une limitation du nombre de particules traitées et de leur taille.

En effet, le calcul des interactions particulaires telles que les collisions nécessite de mailler finement l’espace et le temps, et ce d’autant plus que les particules sont petites.

Dans la famille des approches lagrangiennes, on trouve la méthode DEM (Discrète Mentent Method) utilisée pour traiter des ensembles de corpuscules en interactions (granulats, particules, molécules).

Le mouvement des particules est déterminé par le calcul des forces agissant entre chaque paire de particules. Ces paires de particules génèrent entre elles une force élastique modélisée par un ressort linéaire et une force d’amortissement qui dissipent l’énergie entre les particules.

Le maillage associé à cette méthode est allégé par rapport à la DNS (Direct Numericable Simulation), autre méthode lagrangienne, tout en permettant un traitement individuel.

On peut citer également la méthode numérique directe (DNS), réservée quant à elle aux études à échelle microscopique et nécessitant une très grande finesse de maillage.

Ainsi, les questions à se poser pour le choix d’une de ces méthodes sont :

  • Les collisions inter particulaires sont-elles importantes pour mon application
  • Le domaine est-il vaste par rapport à la taille des particules ?
  • La durée de l’événements-elle grande par rapport au pas de temps des calculs ?

Cette approche est donc adaptée aux études plus complexes pour lesquelles les interactions entre particules sont à prendre en compte.

  • Comportement d’un amas de poudre (émission accidentelle, écoulement, convoyeurs, séchage, cohésion) ;
  • Mélange de particules dans un liquide (suspension, dissolution) ;
  • Filtration grossière.

Un calcul multiphysique est possible avec interaction d’objets mouvants et de matières souples (tissus).

Il est très difficile de traiter les particules autrement que comme de simples sphères.

La représentation réaliste de la forme des particules dans toute sa complexité entraîne de nombreuses complications liées à la création des formes, à l’impact sur les comportements dans un fluide (aérodynamisme dans l’air) ou au calcul des collisions.

Ces contraintes imposent de travailler avec des particules sphériques dans la plupart des cas.

La simulation de particules non sphériques de forme régulière ou aléatoire avec différents facteurs de forme est réservée à la recherche sur les aérosols (nuages de forte densité particulier avec agglomération), sur la filtration (interaction fibre esp alticoles) et sur l’exposition des personnes (pénétration dans les voies respiratoires).

À noter que le cas des particules poreuses peut être traité en modifiant la densité du matériau pour obtenir le même comportement aérodynamique qu’une vraie particule poreuse.

Ainsi, connaissant les caractéristiques des particules et les outils proposés pour leur simulation, on peut envisager de simuler des situations pour lesquelles on recherche des informations sur leur dissémination.

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