Modélisation des écoulements d'air et du colmatage des filtres plissés par des aérosols solides.

Laetitia Del Fabbro
Thèse de doctorat de l'Université de Créteil,
Soutenue le 20 juin 2001, mention très honorable avec félicitations du jury.

Les dispositifs d’épuration contre les particules sont largement répandus dans différents secteurs in-dustriels : nucléaire, automobile, agroalimentaire, électronique... ; parmi ces dispositifs, de nombreux sont constitués de média poreux plissés afin d’accroître la surface de filtration et donc de réduire la perte de charge, pour un débit d’air donné. L’objectif de nos travaux est de pallier un manque évident de connais-sances sur l’évolution de la perte de charge du filtre plissé durant le colmatage et d’en déduire une modélisation, sur la base d’expériences concernant des filtres industriels de type nucléaire et automobile. Le modèle obtenu est fonction des caractéristiques du médium filtrant et des plis, de la granulométrie de l’aérosol so-lide déposé sur le filtre, de la masse de particules et des conditions aérauliques de l’écoulement. Il dépend également de données sur le colmatage de filtres plans de médium équivalent. Afin d’élaborer ce modèle de perte de charge, une étape initiale a été menée afin de caractériser, expérimentalement et numériquement, la perte de charge et les écoulements d’air dans les filtres plissés vierges de types automobile (filtre moyenne efficacité, en fibres de cellulose) et nucléaire (filtre très haute efficacité, en fibres de verre). Le modèle numérique permet de comprendre le rôle fondamental joué par la résistance aéraulique du médium filtrant.
A partir d’une approche adimensionnelle, nous avons établi un modèle semi-empirique de perte de charge pour un filtre plissé vierge valable pour les deux types de médium étudiés ; ce modèle sert de première base à l’élaboration du modèle final de colmatage. L’étude du colmatage des filtres a montré la complexité du phénomène liée en grande partie à une réduction de la surface de filtration. Cette observation nous amène à proposer un colmatage des filtres plissés en trois phases. Les deux premières phases sont similaires à celles observées pour les filtres plans, alors que la dernière correspond à une réduction de la surface de filtration et induit une forte augmentation de la perte de charge du filtre, lorsque la vitesse d’air est maintenue constante.
Nos travaux portent également sur l’étude de l’influence du diamètre des particules, de la vitesse de filtration ou encore des paramètres géométriques du plissage des filtres sur les valeurs de la perte de charge durant le colmatage. Les résultats obtenus montrent bien l’interaction des différents paramètres et mettent en évi-dence la dépendance de la perte de charge d’un filtre avec la structure du gâteau qui dépend elle-même de la vitesse de filtration et des paramètres géométriques des plis.