Figure

Objet

L'objectif de cette étude est de modéliser le processus de libération des particules biotiques (spores, pollen) d'une surface (biologique ou artificielle) en prenant en compte les interactions entre l'écoulement turbulent, les particules et la surface. L'étude de modélisation est réalisée en parallèle avec une caractérisation expérimentale du phénomène.

Description

Les particules biotiques ont une taille d'environ 30 m. De ce fait, elles se trouvent dans la sous-couche laminaire de la couche limite turbulente créée au-dessus de la surface. Dans cette étude, l'influence de la couche limite turbulente sur la sous couche laminaire est modélisée numériquement par l'interaction d'une structure cohérente avec une couche limite laminaire

Résultats et perspectives

Nous avons simulé numériquement l'interaction entre une grosse structure tourbillonnaire et une couche limite laminaire. Le tourbillon considéré est de circulation négative. Il induit un gradient de pression adverse, que la couche limite doit négocier. Un bulbe de recirculation opposée se forme alors à la paroi, tandis que la couche limite s'enroule autour du tourbillon. Ce bulbe grossit et va jusqu'à se détacher de la paroi pour former une structure secondaire.

Une distribution de particules biotiques est imposée à la paroi à une distance donnée du bord d'attaque. Le phénomène d'interaction induit des vitesses au voisinage de la paroi, qui vont conduire à l'arrachement de ces particules. L'arrachement a lieu lorsque la force d'adhésion est équilibrée par la force de l'écoulement, qui dépend de la vitesse locale. La force d'adhésion entre les particules et la surface a été estimée par centrifugation et suit une distribution log- normale.
La figure 1 représente le champ de vorticité dans le cas d'une interaction forte avec le tourbillon de circulation négative. La structure secondaire de vorticité positive est visualisée en sombre.

Pour caractériser la vitesse et la trajectoire des particules dans la couche limite au moment de l'arrachement nous utilisons la vélocimétrie par images de particules. La vitesse des particules est un paramètre important à connaître dans la perspective de modéliser le transport des particules dans un écoulement turbulent. Les images de particules enregistrées durant le processus de resuspension par une caméra CCD standard, sont aussi exploitées pour en déduire le taux de resuspension. Un post traitement fondé sur l'analyse des histogrammes des niveaux de gris permet de binariser les images et de les échantillonner en sous-fenêtres. La mesure de la concentration de particules restant sur la surface à un instant donné est ainsi fondée sur une opération de comptage. Les profils de vitesse dans la couche limite turbulente sont mesurés par anémométrie à fil chaud et vélocimétrie laser à effet Doppler.

Un exemple de l'évolution de la fraction de particules restante dans le temps est présenté sur la figure 2. Les particules sont soumises à une couche limite turbulente.

Références

A. Rambert "Etude de l'interaction particules-écoulement" Thèse Paris XI 1998.

* Unité de Bioclimatologie, INRA Thivernal-Grignon

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