Modélisation et simulation numérique de la dynamique des nanoparticules appliquée aux ...

169 Pages·2016·2.98 MB·French

by  Marion Devilliers

Mod´elisation et simulation num´erique de la dynamique
des nanoparticules appliqu´ee aux atmosph`eres libres et
confin´ees
Marion Devilliers
To cite this version:
Marion Devilliers. Mod´elisation et simulation num´erique de la dynamique des nanoparticules
appliqu´ee aux atmosph`eres libres et confin´ees. Sciences de la Terre. Universit´e Paris-Est, 2012.
Fran¸cais. <NNT : 2012PEST1124>. <pastel-00795945>
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Modélisation et simulation numérique
de la dynamique des nanoparticules
appliquée aux atmosphères libres et
confinées
Marion Devilliers

Thèse de doctorat de l’Université Paris-Est
Spécialité : Sciences de l’Environnement
présentée par : Marion DEVILLIERS
pour l’obtention du titre de Docteur de l’université
Paris-Est
Modélisation et simulation numérique de la
dynamique des nanoparticules appliquée aux
atmosphères libres et confinées
Jury de thèse :
Virginie MARECAL (CNRM-GAME, Toulouse) Rapporteur
Olivier SIMONIN (INPT/IMFT, Toulouse) Rapporteur
Robert ROSSET (LA, Toulouse) Examinateur
Matthias BEEKMANN (LISA, Créteil) Examinateur
Didier HAUGLUSTAINE (LSCE/LIVE, Gif-sur-Yvette) Examinateur
Christian SEIGNEUR (CEREA, Marne-La-Vallée) Directeur de thèse
Edouard DEBRY (INERIS, Verneuil-en-Halatte) Encadrant de thèse

Table des matières
Remerciements i
Résumé iii
Abstract v
1 Introduction 1
1.1 Lapollutionatmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Lesaérosolsdanslapollutionatmosphérique . . . . . . . . . . . 2
1.3 Lesnanoparticules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Modélisationdesaérosolsatmosphériques . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Objectifsetplandelathèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Processusdecondensation/évaporation 17
2.1 Résumédel’article . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 Particlesizedistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.2 Condensation/evaporationequation . . . . . . . . . . . . 25
2.3.3 Thesectionalapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.4 Themodalrepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Numericalschemesforthesectionalrepresentation . . . . . . . . 28
2.4.1 Eulerian,Lagrangianandsemi-Lagrangianapproaches . . 28
2.4.2 Redistributionalgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.3 Inter-comparisonoftheschemeswithtwocasestudies . . 33
2.5 Firstcasestudy: regionalpollution . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.1 Initialconditionsandsimulationcharacteristics . . . . . . 33
2.5.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.3 PerformanceStatistics: normalizedmeanerror . . . . . . 37
2.5.4 PerformanceStatistics: correlation . . . . . . . . . . . . . 39
2.5.5 PMandPNestimations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6 Secondcasestudy: thedieselvehicleexhaust . . . . . . . . . . . 43
2.6.1 Initialconditionsandsimulationcharacteristics . . . . . . 43
2.6.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6.3 PerformanceStatistics: normalizedmeanerror . . . . . . 50
2.6.4 PerformanceStatistics: correlation . . . . . . . . . . . . . 52
2.6.5 PMandPNestimations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3 Coagulationdesnanoparticules 57
3.1 Processusdecoagulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.1.1 ÉquationdeSmoluchowski . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.1.2 Caractéristiquesphysiquesdesaérosolsdansl’air . . . . . 59
3.1.3 Noyaudecoagulationbrownien . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 Approchesectionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.1 Discrétisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.2 Simulationsnumériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3 ForcesdevanderWaals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.1 Lesformulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.2 ConstantedeHamaker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.3 Simulationsnumériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4 Nucléationetcouplagedesprocessus 97
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2 Paramétrisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3 Simulationsnumériquesdelanucléation . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3.1 NucléationetGDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.3 Conclusionsurlesrésultatsdenucléation . . . . . . . . . 121
4.4 RésolutiondécoupléedelaGDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5 Conclusionetperspectives 127
AnnexeA 135
A.1 Volumedistributionofthemodalrepresentation . . . . . . . . . . 135
A.2 Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
A.3 CorrelationCoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
A.4 Themultichemicalcompositioncase . . . . . . . . . . . . . . . . 136
A.4.1 Themass-redistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
A.4.2 Thenumber-redistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
A.5 Additionalresultsforcondensation . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
A.6 Initialconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
A.6.1 Theclearconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
A.6.2 Theurbanconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Remerciements
Jetienstoutd’abordàremerciermesrapporteurs:VirginieMaréchaletOlivier
Simonin qui ont bien voulu consacrer du temps à la relecture de mon manuscrit
de thèse ainsi que tous les membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon
travail. Merci au président M. Beekmann d’avoir si bien animé la soutenance.
Merci à Mesdames Claude Tu et Cécile Blanchemanche pour leur bonne humeur
etpourlagestionefficacedesprocéduresadministratives.Etbiensûr,jeremercie
l’INERISd’avoirfinancécestroisannéesdethèse.
EnsuitejesouhaiteremercierEdouardDebry,monencadrant,poursesconseils,
sonsoutienetsagrandedisponibilité.Sescompétencesetsaprécisionm’ontper-
mis d’améliorer de beaucoup mon manuscrit. Ses connaissances et son recul sur
le sujet m’ont aidé tout au long de la thèse pour orienter mon travail et avancer
danslaproblématique.
Viens ensuite mon directeur de thèse Christian Seigneur qui a été très présent
surtout durant la première année de thèse pendant laquelle j’étais au CEREA.
Son expertise arrive toujours à rendre très simples des problèmes qui paraissent
très complexes. Son calme et son humour sont des atouts précieux pour le jeune
thésardinquiet.
J’aiensuitetravailléavecKarineSarteletcequis’estrévéléêtreunréelplaisir
et je la remercie. J’ai finalement reçu beaucoup d’aide aussi de Bertrand Bessa-
gnet, qui était l’un des membres toujours présent de mon comité de thèse et mon
chef d’unité à l’INERIS. Ses connaissances en chimie et en programmation ont
remarquablementcomplétéunencadrementdethèsequiétaitdéjàexcellent.Jele
remercie aussi beaucoup pour son aide à l’intégration de l’équipe MOCA et pour
avoir accepté de financer ma participation à diverses conférences. Sur ce dernier
point,jemedoisderemercieraussiLaurenceRouïlquiaégalementvouluassister
àmarépétitiondethèsemalgrésonemploidetempsdémentiel.
J’ai apprécié ma première année au CEREA surtout grâce à Florian, dont
l’imaginationetl’inventivitésontsanslimite!Merciàluietauxautresdem’avoir
faitdécouvrirlesplaisirsdespausescafé/gâteauxentredeuxarticles.MerciàVé-
roniqueDehlingerpoursagentillesseetsonefficacité.
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