La qualité de l’air intérieur (QAI) est un champ d’étude scientifique ayant pour objectif la détection, la quantification ou la prévention des concentrations de polluants (gazeux ou particulaires) connus pour avoir un impact sur la santé humaine ou le confort ressenti par les occupants. L’objectif d’un modèle dans le domaine de la Qualité de l’Air Intérieur (QAI) est de prédire les évolutions temporelles des concentrations de polluant pouvant être d’origine multifactorielle : taux de renouvellement d’air, interaction gaz/paroi, réactions homogènes ou hétérogènes, sources d’émission, évolution de la température de l’air et des matériaux mis en jeu, ...
L’intérêt de la CFD (Computational Fluid Dynamics) pour la modélisation de la QAI réside dans la capacité à renseigner en tout point de l’espace les niveaux de concentration, de température et de vitesse et de mieux comprendre les interactions aux échelles locales. Les études par simulation offrent en principe des couts plus abordables que les campagnes de mesures in situ et elles permettent de discriminer plus facilement l’effet de certains phénomènes par rapport à d’autres comparativement à des expériences menées à l’échelle 1:1. Le principal inconvénient de la simulation CFD se résume par une capacité limitée à reproduire la complexité des phénomènes physiques mis en jeu. Cette difficulté s’explique principalement par une simplification (et donc un manque de réalisme) des conditions aux limites thermique ou massique imposées ainsi que par les modèles de turbulence qui approximent les variations des champs de vitesse dans l’air (approche dite « RANS » pour Reynolds-Averaged Navier-Stokes).
Dans ce projet, les travaux de recherche se positionnent sur l’utilisation de simulations CFD haute-fidélité de la turbulence de type LES (LES, Simulations aux Grandes Échelles) pour représenter le plus fidèlement possible les interactions gaz/surface dans un environnement confiné « modèle » intégrant les phénomènes d’adsorption et de transferts thermiques aux parois.
Les travaux menés ont pour finalité deux axes majeurs :
- Recherche amont : Améliorer notre compréhension des mécanismes d’interaction gaz/surface en air intérieur dans un contexte de transferts massique et thermique couplés. Comprendre les différents régimes de transferts pilotés par les grandeurs adimensionnelles. Concevoir des benchmarks numériques LES pour mieux qualifiées les simulations utilisant les approches RANS.
- Recherche appliquée : concevoir des systèmes basés sur les mécanismes physico-chimiques de l’adsorption ayant la double fonction de remédier à la pollution de l’air intérieur et d’améliorer le confort thermique.
Missions :
La première mission est de réaliser des simulations numériques LES d’un écoulement piloté par convection naturelle en environnement idéalement confiné de forme cubique. Une différence de température est imposée sur deux parois verticales parallèles, le nombre de Rayleigh imposé étant de 109. Une équation de cinétique d’adsorption de Langmuir du premier ordre exprimée en fonction de la température est imposée sur les parois internes pour modéliser les transferts de polluant entre les phases gazeuse et adsorbée. Différentes simulations seront effectuées en faisant varier le nombre de Damköhler, caractérisant le rapport entre les temps caractéristiques de réaction et de diffusion, dans le but de déterminer son influence sur la dynamique des transferts air/paroi.
La deuxième mission portera sur l’optimisation d’un dispositif ayant la double fonction de chauffer et de dépolluer un environnement intérieur. Des simulations seront réalisées en 2D puis 3D, afin de trouver des configurations géométriques optimales permettant de trouver des compromis entre la maximisation des transferts de chaleur et de masse.