Le SpectroMètre Thermophorétique Circulaire (SMTC), un nouvel instrument pour mesurer la thermophorèse : application aux agrégats de suies de morphologie fractale

Édouard Brugière a soutenu sa thèse le 3 décembre 2012 à Gif-sur-Yvette.

Ce travail de thèse a pour objectif d’améliorer la connaissance du dépôt des particules de combustion par thermophorèse (déplacement dans un gradient de température) afin de permettre, en particulier, une meilleure modélisation du comportement des aérosols issus d’un incendie. Dans le but de montrer l’influence de la morphologie fractale d’un agrégat sur son comportement thermophorétique, un nouveau dispositif expérimental a été développé à l’IRSN, le SMTC — pour SpectroMètre Thermophorétique Circulaire (Radial Flow Thermophoretic Analyser). Cet instrument permet de mesurer la vitesse moyenne de thermophorèse des particules dans une zone de sélection comprise entre une plaque chaude et une plaque froide. Pour cela, nous avons développé une fonction de transfert spécifique du principe de fonctionnement de l’instrument, sur la base des travaux existant sur les analyseurs différentiels de mobilité électrique. Après une phase de conception faisant appel à une modélisation du comportement thermo-aéraulique du dispositif, nous avons conçu et réalisé un prototype de SMTC. Une qualification expérimentale du SMTC a été effectuée avec des billes de latex monodispersées, de tailles comprises entre 64 nm et 500 nm. Les vitesses de thermophorèse obtenues montrent un bon accord avec la théorie de Beresnev et Chernyak (1995), selon laquelle la vitesse de thermophorèse décroît lorsque la taille des particules augmente, dans le régime transitoire, entre moléculaire et continu. Ces résultats ont permis de valider le fonctionnement de l’instrument. Par la suite, nous avons utilisé des agrégats parfaitement monodispersés produits par un générateur d’aérosol à combustion et sélectionnés par deux analyseurs différentiels de mobilité électrique en série. Les agrégats utilisés ont un diamètre de particules primaires égal à 19 nm, et des diamètres de mobilité électrique compris entre 30 nm et 600 nm. Les vitesses de thermophorèse des agrégats présentent alors un écart significatif avec celles des billes de latex, pour un même diamètre de mobilité électrique. Contrairement aux résultats obtenus avec les billes de latex, nos mesures montrent en effet une vitesse de thermophorèse des agrégats croissant avec leur diamètre de mobilité électrique. Par exemple, pour un diamètre de mobilité électrique égal à 500 nm, nous mesurons une vitesse de thermophorèse plus élevée de 65 % lorsque l'on passe des particules sphériques aux agrégats. Ces résultats indiquent que la prise en compte du diamètre de mobilité électrique dans un modèle classique de vitesse de thermophorèse conduit à sous-estimer la vitesse d’un agrégat. L’étude morphologique des agrégats a permis d’exprimer l’augmentation de la vitesse de thermophorèse d’un agrégat en fonction du nombre de particules primaires le composant. Ces résultats expérimentaux confirment, pour la première fois, les données théoriques de Mackowski (2006) obtenues par des simulations de type Monte-Carlo.