Etablissement d’un modèle théorique pour la collecte des aérosols par les gouttes de pluie : modélisation explicite du flux de Stefan et de sa contribution à la diffusiophorèse
Nom du doctorant : Emmanuel REYES
Lieu de thèse : Laboratoire de physique et de métrologie des aérosols (LPMA) - Saclay (91), Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie (CORIA) - Rouen (76)
Date de début : octobre 2020
Les aérosols constituent une composante essentielle de l’atmosphère : chaque année, environ 8000 MT de particules sont produites dans la troposphère. Ces particules impactent significativement la qualité de l’air, mais contribuent aussi à la fertilisation de l’Amazonie, ou à la formation des nuages. En interagissant avec les nuages, elles participent significativement au cycle de l’eau et au bilan radiatif terrestre. Une des principales sources d’incertitude dans les modèles climatiques est d’ailleurs liée aux interactions entre les aérosols et les nuages. De même, lors d’un accident nucléaire, une fraction importante des rejets radioactifs se fait sous la forme d’aérosols. Or, il existe une gamme de taille de particules dont le temps de séjour dans l'atmosphère peut aller jusqu’à un an. Pour ces particules, seul le lessivage par les gouttes de pluie est un mécanisme efficace et engendre leur dépôt sur les sols. Que ce soit dans les modèles climatiques, de prévision de la qualité de l’air ou dans le modèle de crise de l’IRSN, ce lessivage est modélisé par un coefficient appelé coefficient de lessivage. Celui-ci est calculé à l’aide d’un paramètre microphysique appelé efficacité de collecte, qui décrit la fraction de particules collectées par une goutte lors de sa chute.
Le but de cette thèse est d’améliorer les modèles théoriques permettant de déterminer cette efficacité de collecte pour les tailles des gouttes de pluie, et plus particulièrement d’étudier théoriquement la contribution des forces phorétiques (thermophorèse et diffusiophorèse) sur la collecte des aérosols par les gouttes de pluie. Thermophorèse et diffusiophorèse sont deux mécanismes bien connus de dérive d’une particule. Pour évaluer leurs contributions à la collecte il est nécessaire de déterminer les champs de température et de fraction de vapeur dans la couche limite de la goutte. Les approches théoriques actuelles pour déterminer l’efficacité de collecte reposent sur un suivi lagrangien de particules dans l’écoulement autour de gouttes chutant à leur vitesse limite. Il persiste une importante limitation dans cette approche pour les gouttes la pluie. En effet, à partir d’un diamètre de 1,2 mm, ces gouttes à leur vitesse terminale oscillent à grande fréquence (120 Hz), ce qui rend les équations de Navier-Stokes particulièrement délicates à simuler. Néanmoins, des approches hybrides couplant les méthodes Level-Set – pour suivre dynamiquement l’interface -, Gost-Fluid – pour améliorer la capture des sauts aux interfaces - et Volume of fluid – pour garantir la conservation de la masse - ont été développées à l’Université de Rouen. Ces méthodes hybrides permettent de suivre dynamiquement des interfaces libres et sont donc adaptées pour simuler des oscillations de gouttes et leur impact sur l’écoulement de l’air. Couplé à un modèle d’évaporation cette approche permettrait d’établir théoriquement un modèle d’efficacité de collecte pour les gouttes de pluie.