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Phenomenological study of aerosol dry deposition in urban area : surface properties, turbulence and local meteorology influences
No full textActuellement, le dépôt sec d’aérosols en milieu urbain est peu connu du fait d’un manque de données.Ces connaissances sont pourtant indispensables pour comprendre les flux de polluants dans les villes et estimer l’exposition d’habitants à des rayonnements ionisants dans le cas d’aérosols radioactifs. Un apport de données permettrait en outre d’améliorer la modélisation du dépôt dans ce milieu. Une approche expérimentale originale est employée pour étudier le dépôt sec d’aérosols submicroniques sur des surfaces urbaines. L’association d’expérimentations en soufflerie et in situ et l’utilisation de traceurs permettent de mesurer des vitesses de dépôt sec et d’étudier les différents phénomènes physiques qui régissent ce dépôt en milieu urbain. Ces données sont associées à des conditions de météorologie et de turbulence quantifiées par des mesures. Cet ensemble permet de hiérarchiser l’influence des principaux phénomènes physiques pour chaque type d’expérimentation. Notamment,des phénomènes différents doivent être considérés prépondérants dans le cas d’expositions chroniques ou aigües des surfaces urbaines aux particules atmosphériques.Aerosol dry deposition is not much known for urban areas due to the lack of data. Knowledge on this phenomenon is necessary to understand pollutant fluxes in cities and to estimate inhabitant exposition to ionizing radiation of radioactive aerosols. A data providing could enable to enhance dry deposition models for these areas. An original experimental approach is performed to study submicron aerosol dry deposition on urban surfaces. Wind tunnel coupled to in situ experiments give results to study different physical phenomen on governing dry deposition. Dry deposition velocities are measured using aerosol tracers. These data are associated to turbulent and meteorological measured conditions. This database permits to classify the principal physical phenomenon for each experiment type. Finally, different phenomenon must be considered for chronic and acute exposition of urban surfaces to atmospheric particles
Modélisation de la dégradation thermique des composites pour prédire leur réaction au feu lorsqu'ils sont exposés à des flammes
No full textLes composites renforcés de fibers de carbone sont de plus en plus populaires dans les applications aérospatiales en raison de leur légèreté et de leurs excellentes propriétés mécaniques. Cependant, leur inflammabilité inhérente rend difficile le maintien de leurs propriétés mécaniques à des températures élevées ou dans des conditions d'incendie, ce qui augmente les risques d'incendie. L'objectif de cette étude est de caractériser le comportement au feu des matériaux composites et de développer un modèle complet pour simuler le transfert de chaleur et les processus de décomposition thermique des composites. Les résultats simulés sont comparés aux résultats expérimentaux. Pour être plus précis, des expériences sont d'abord menées sur des composites thermoplastiques et thermodurcissable à l'aide d'un brûleur à kérosène. Les évolutions de la température et de la masse pendant les expériences sont caractérisées. Après les expériences, les gonflements des échantillons sont mesurés et les fissures internes et la délamination sont observées. Les effets du type de résine, de la séquence d'empilage des plis et de l'épaisseur du matériau sur le comportement au feu sont comparés et analysés. Ensuite, un modèle unidimensionnel est développé dans Porous material Analysis Toolbox based on OpenFOAM (PATO) pour simuler le processus de transfert de chaleur et de masse dans les composites lorsqu'ils sont exposés à une flamme de kérosène. L'effet de chaque paramètre sur la température de la face arrière et la perte de masse est analysé à l'aide d'une méthode d'analyse de sensibilité locale. Enfin, les simulations tridimensionnelles sont effectuées en tenant compte du transfert de chaleur le long du pli. Les effets des paramètres d'entrée sur la distribution de la température sur la face arrière sont également étudiés.Carbon fiber reinforced composites are becoming increasingly popular in aerospace applications due to their lightweight and excellent mechanical properties. However, their inherent flammability makes them difficult to maintain mechanical properties in high temperatures or fire conditions, which increases the fire risks. The purpose of this study is to characterize the fire behaviour of composite materials and develop a comprehensive model to simulate the heat transfer and thermal decomposition processes of composites. The simulated results are compared with the experimental results. To be specific, first, experiments are carried out on thermoplastic and thermoset composites using a kerosene burner. The temperature and mass evolutions during the experiments are characterized. After the experiments, the swellings of the samples are measured and the internal cracks and delamination are observed. The effects of resin type, stacking sequence of plies and the material thickness on the fire behaviour are compared and analyzed. Then, a one-dimensional model is developed in Porous material Analysis Toolbox based on OpenFOAM (PATO) to simulate the heat and mass transfer process in the composites when exposed to kerosene flame. The effect of each parameter on the backside temperature and the mass loss is analyzed using a local sensitivity analysis method. Finally, the three-dimensional simulations are carried out which consider the heat transfer along the ply. The effects of the input parameters on the temperature distribution on the backside are also investigated
Experimental determination of submicron aerosol dry deposition velocity onto rural canopies : influence of aerosol size, of micrometeorological parameters and of the substrate
No full textPour évaluer l'impact d’un rejet accidentel ou chronique de polluants dans les écosystèmes, il est important d’étudier le dépôt sec des aérosols en milieu rural. Le manque de données expérimentales en milieu rural sur la vitesse de dépôt sec des particules ayant une taille inférieure à 1 μm conduit à des incertitudes au vu des modèles et de leurs différences, qui vont jusqu’à dépasser un ordre de grandeur. Le but de cette étude est de développer une mesure directe de la vitesse de dépôt sec des aérosols (Vd), notamment en utilisant un impacteur à basse pression (Electrical Low Pressure Impactor, ELPI, DEKATI), à travers des mesures expérimentales in situ. L’originalité de la méthode est le calcul des flux de dépôt par corrélation turbulente. Les vitesses de dépôt sec ont été obtenues pour des aérosols atmosphériques de tailles comprises entre 7 nm et 2 μm, sur un terrain plat dans le sud-ouest de la France, sous différentes conditions atmosphériques, ainsi que sur différents couverts (maïs, herbe, sol nu). Vd est analysée en fonction du diamètre des particules et l’impact des conditions micro météorologiques est étudié.To evaluate the impact of accidental or chronic pollutant releases on ecosystems, we must study the dry deposition of aerosols in rural areas. The lack of experimental data on the dry deposition velocity of particle sizes below 1 μm over rural environments leads to uncertainties regarding models and differences between them, which exceed one order of magnitude. The aim of thisstudy is to develop a method, especially using an Electrical Low Pressure Impactor (Outdoor ELPI, DEKATI) to determine aerosol dry deposition velocities (Vd) over rural areas through experimental measurements. This method is based on eddy covariance flux calculation and spectral analysis correction. Dry deposition velocities were obtained for atmospheric aerosols sizing from 7 nm to2 μm, in the South-West of France on a flat terrain under varied meteorological conditions andvaried substrates (maize, grass and earth). Vd was analysed as a function of the particle diameters, and the impact of micrometeorological parameters was studied
Study of soots particles in kerosene and biofuel flames
No full textLes suies se présentent sous la forme de fines particules carbonées de diamètres compris entre quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres. Dans l’atmosphère, elles entraînent des enjeux climatiques, de par leurs propriétés radiatives, mais aussi des enjeux sanitaires, du fait de leur faible taille : elles pénètrent facilement dans le système respiratoire et même, pour les plus fines, dans le système sanguin. L’objectif est de parfaire les connaissances sur les propriétés physiques des suies produites par différents systèmes de combustion. C’est dans le but de mieux comprendre l’influence des systèmes de combustion, faisant intervenir des temps de séjours différents, des propriétés de turbulence, d’oxydation et de pression distinctes que nous avons choisi d’étudier trois types de combustion spécifiques : d’une part, des flammes de diffusion laminaires à pression atmosphérique, initiées dans un brûleur développé au cours de ces travaux ; d’autre part, une flamme de diffusion laminaire sous atmosphère pressurisée (3 à 5 bars) ; enfin, une flamme turbulente produite par une chambre tubulaire, elle aussi sous atmosphère pressurisée (1.2 à 3 bar). Un autre enjeu de ce travail était d’approfondir les informations relatives à la combustion de carburants liquides, à savoir le kérosène et le diester. Les travaux effectués visent à déterminer les caractéristiques morphologiques (dimension fractale, diamètre des monomères...) et l’indice complexe m* des suies issues des différents systèmes de combustion. La technique employée pour la mesure de l’indice complexe de réfraction des suies, repose sur l’analyse d’une partie des fumées produites par les flammes. Ces fumées sont acheminées dans un banc d’analyse permettant la mesure de signaux d’extinction et de diffusion, ainsi que de distributions de taille des suies. Par ailleurs, des analyses de clichés obtenus par microscope en transmission d’électrons (TEM) permettent l’obtention d’informations sur la morphologie des agrégats de suies. L’utilisation de la théorie de la diffusion de la lumière pour des agrégats fractals dans la limite de Rayleigh (RDG-FA) permet d’estimer à partir de ces données deux fonctions de l’indice complexe E(m) et F(m), et ainsi de retrouver m*.Soot are carbonaceous fine particles, which diameters are ranged from a few nanometres to a few micrometers. They have an impact on climate, due to their radiative properties, as well as on health, due to their small size. That’s why particulate matter is an important concern. In order to gain a better understanding of the influence of the combustion devices, which implies specific residence time and also specific turbulence, oxidation and pressure properties, we studied three specific kinds of combustion : first, laminar diffusion flames at atmospheric pressure ; then, a laminar diffusion flame a high pressures (3 to 5 bar) ; finally, a turbulent flame produced in a combustor at high pressures (1,2 to 3 bar). Another objective of this work was to improve the knowledge about soot produced by the combustion of liquid fuels, namely kerosene and biofuel. We studied morphological properties (fractal dimension, primary particle size…) and the refractive index m* of soot produced by these combustion systems. The technique employed to characterize the soot refractive index is based on the analysis of a part of smokes produced by flames. These are transported towards two optical cells, so that extinction and scattering coefficients can be measured, in addition to soot size distributions. Furthermore, a morphological characterization of the aggregates is conducted, using transmission electron microscopy (TEM) photographs. Rayleigh-Debye-Gans theory for fractal aggregates is used to determine two functions of the refractive index E(m) and F(m), so that m* can be deduced
Dégradation d'un granulé de biomasse lors de la combustion : influence de la composition élémentaire déterminée par LΙBS
No full textLa demande mondiale croissante d’énergie et les préoccupations environnementales croissantes ont propulsé l’exploration d’alternatives durables aux sources de carburant conventionnelles. La biomasse se présente comme une ressource renouvelable prometteuse, capable d'atténuer la crise énergétique mondiale tout en garantissant la durabilité environnementale. Cette étude se penche sur le comportement de combustion de trois biomasses distinctes : le bois d'origine forestière, le miscanthus herbacé et la paille d'orge résiduelle agricole. En examinant le comportement des particules individuelles pendant la combustion, la recherche cherche à élucider les processus fondamentaux régissant la conversion de la biomasse en énergie et à comprendre les comportements de combustion uniques des différentes sources de biomasse. La complexité de la combustion de la biomasse, influencée par des facteurs tels que la composition chimique, la teneur en éléments et les étapes de combustion, est au cœur de l'enquête. Les premiers résultats mettent en évidence les effets catalytiques potentiels d’éléments mineurs comme le sodium (Na) et le potassium (K) sur le comportement de combustion, ce qui nécessite des études approfondies pour comprendre pleinement leur influence. Grâce à une caractérisation complète, l'étude identifie trois étapes critiques de combustion des particules de biomasse : la perte d'humidité, la dévolatilisation et l'oxydation du charbon, révélant des distinctions significatives dans les points d'inflammation entre les sources de biomasse étudiées. La thèse vise à contribuer de manière significative à la compréhension de la production d'énergie basée sur la biomasse et de ses implications environnementales, en fournissant une base pour les progrès futurs dans l'utilisation de la biomasse, la production d'énergie et les pratiques durables.The escalating global demand for energy and mounting environmental concerns have propelled the exploration of sustainable alternatives to conventional fuel sources. Biomass stands out as a promising renewable resource capable of alleviating the worldwide energy crisis while addressing environmental sustainability. This study delves into the combustion behavior of three distinct biomass: forest-derived wood, herbaceous miscanthus, and agricultural residue barley straw. By scrutinizing individual particle behavior during combustion, the research seeks to unravel the fundamental processes governing biomass conversion into energy and understand the unique combustion behaviors of different biomass sources. The complexity of biomass combustion, influenced by factors like chemical composition, elemental content, and combustion stages, lies at the heart of the investigation. Initial findings highlight potential catalytic effects of minor elements like sodium (Na) and potassium (K) on combustion behavior, prompting the need for in-depth studies to fully comprehend their influence. Through comprehensive characterization, the study identifies three critical combustion stages for biomass particles: humidity loss, devolatilization, and char oxidation, revealing significant distinctions in ignition points among the investigated biomass sources. The thesis aims to significantly contribute to understanding biomass-based energy generation and its environmental implications, providing a foundation for future advancements in biomass utilization, energy production, and sustainable practices
Experimental study of the concentrations of soot and speeds in a flame of vertical wall
No full textLa propagation d’un incendie dans un espace clos s’explique par l’inflammation de matières combustibles. Un cas important est celui de la propagation d’une flamme sur une paroi verticale. En effet si la flamme progresse dans le même sens que l’écoulement (cas co-courant), la croissance est rapide. Dans ce cas, l’émission des vapeurs combustibles (pyrolyse) et le dégagement de la chaleur apportée par la combustion sont couplés par les flux convectés et rayonnés à la paroi. Ces flammes de paroi verticale sont pilotées par les forces de flottabilité, et se caractérisent par un régime de basse vitesse et avec une forte production de suie. Bien que de nombreux travaux aient été consacrés à l’étude des flammes de paroi verticale [1-3], peu d’entre eux ont été dédiés à l’étude de l’écoulement dans la couche limite proche de la paroi et à l’étude des zones de production de suie, lesquels sont des données nécessaires pour la validation des codes de calcul. Pour cela, des mesures simultanées de vitesse par PIV et de concentration de suie par LII ont été réalisées sur un brûleur gaz en configuration paroi-verticale. Dans un premier temps, ces mesures ont permis l’analyse de la forme, de la taille et de la concentration des zones de formation de suies (poches de suie) à différentes hauteurs dans la flamme. Ensuite, les champs 2D de vitesses moyennes (horizontales et verticales) ont été étudiés, ainsi que leurs fluctuations (densités de probabilité et écart-type). Une description de la couche limite réactive, à l’aide d’une échelle caractéristique obtenue avec des mesures de vitesse plus résolues spatialement (PIV « zoomé »), a également été réalisée. Finalement, les mesures de LII et PIV couplées ont permis d’étudier l’influence du champ de vitesse sur la distribution des suies dans la flamme, ainsi que le transport et le flux turbulent de la fraction volumique de suie dans la couche limite réactive.The fire growth and spread on a confined space depends on the inflammation and combustion of combustible materials. An important case is the fire propagation on a vertical wall configuration, in which the pyrolysis gas and the total heat flux released by the flame are coupled by convective and radiative heat flux from the flame to the wall. This kind of flame is piloted by the buoyancy forces, and is characterized by a low velocity regime and a strong generation of soot particles. Although numerous works have been devoted on the study of vertical wall flames, few have been carried out on the analysis of the flame within the reactive boundary layer and the study of the zones of production of soot particles, which is data necessary for fire simulation codes validation. In this aim, simultaneous measurements of velocity by Particle Image Velocity (PIV) and of soot volume fraction by planar laser induced incandescence (LII) have been carried out on vertical wall fire generated by a vertical porous burner fed with a CH4/C2H4 mixture. First, the characteristics of soot sheet (shape, size, thickness, and peak concentration) have been studied at different heights into the flame, as well as the average and RMS soot volume fraction fields. Then, average and RMS fields of velocity and their probability density function have been analyzed. A description of the reactive boundary layer, through the definition of a characteristic velocity scale in the near-wall zone (viscous sub-layer), has been carried out by using a « PIV Zoom » set-up. Finally, simultaneous LII/PIV measurements have been carried out in order to study the influence of the aerodynamics of the flow on the soot volume fraction distribution, as well as the transport and turbulent flux of soot into the reactive boundary layer
Use of numerical models to assess fire scenarios in investigation framework
No full textDevant le besoin de nouveaux outils d’aide à l’investigation post-incendie, cette thèse se propose d’évaluer le recours à des modèles numériques pour apprécier un scénario proposé par un expert. Pour cela, les conditions d’utilisation de la version 4 de Fire Dynamics Simulator (FDS) ont été déterminées dans une optique de reconstitution de sinistres. Une méthode a ensuite été développée afin de confronter les résultats des simulations aux observations faites lors de l’investigation : cette méthode se base sur l’utilisation de multiples points de comparaison qui sont des effets thermiques ou mécaniques remarquables sur un matériau. Les résultats obtenus ont ensuite été utilisés pour la simulation de deux cas réels. Le premier s’attache à comparer, à des simulations, des mesures de propagation de flammes à la surface d’un matelas dans deux configurations différentes. Cela est réalisé afin d’évaluer le modèle de combustion solide de FDS dans différentes conditions de ventilation. La seconde application est la reconstitution d’un incendie ayant fait une victime dans un appartement. Ce second cas a été choisi dans le but d’évaluer les méthodes de simulation et d’utilisation des points de comparaison établies dans les premiers chapitres.This work is intended to evaluate the use of numerical models to assess fire scenarios proposed by investigators. First chapter of this thesis is about theoretical fire phenomenon useful in the investigation frame. The second chapter is devoted to the validation of a CFD tool named Fire Dynamics Simulator (FDS) for fire reconstruction purposes. Guidance is developed in the third chapter in order to compare modelling results to degradations observed on fire scenes. It is explained how the accuracy of a scenario could be assessed using several comparison points, the thermal or mechanical effects on materials after a fire. Results obtained in previous chapters are finally applied on two cases. The first one is the comparison of fire spread velocities measured on two different experiments with simulations. This study is carried out to test FDS combustion model under ventilated and underventilated conditions. The second case is the reconstruction of a fire which killed the occupant of an apartment, the purpose of this work being to apply modelling and investigation guidance to a real case
The spectromètre thermophorétique circulaire (SMTC), a new device for the study of the thermophoresis : Application on the fractals soot particles
No full textDans le but de montrer l’influence de la morphologie fractale d’un agrégat sur son comportement thermophorétique, un nouveau dispositif expérimental a été développé ; le SpectroMètreThermophorétique Circulaire (SMTC). 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 au principe de l’instrument sur la base des travaux existant sur les analyseurs différentiels de mobilité électrique.Une qualification expérimentale du SMTC a été réalisée avec des billes de latex monodispersées de tailles comprises entre 64 nm et 500 nm. Le bon accord entre les vitesses de thermophorèse obtenues et la théorie de Beresnev et Chernyak (1995) nous a permis de valider le fonctionnement de l’instrument.Par la suite, nous avons comparé les vitesses de thermophorèse expérimentales obtenues avec le SpectroMètre Thermophorétique Circulaire pour des particules sphériques et des agrégats produits par un générateur d’aérosol à combustion. Contrairement aux résultats obtenus avec les billes de latex, nous observons une augmentation de la vitesse de thermophorèse des agrégats avec leur diamètre de mobilité électrique.Grâce à une étude morphologique des agrégats, nous avons remarqué que la vitesse de thermophorèse est dépendante du nombre de particules primaires de l’agrégat. Ces résultats expérimentaux confirment pour la première fois les données théoriques de Mackowski (2006)obtenues par des simulations Monte-Carlo. De plus, une comparaison avec les travaux de Messerer et al. (2003) montre que la vitesse de thermophorèse des agrégats semble indépendante de la taille des particules primaires.In order to show the influence of the morphology of a fractal aggregate on its thermophoretic behavior, a new experimental device has been developed; the SpectroMètre ThermophorétiqueCirculaire (SMTC). This instrument is used to measure the mean thermophoretic velocity of particles selected between a hot plate and a cold plate thanks to a transfer function based on the geometry of the radial flow differential mobility analyser RF-DMA or SMEC (Spectromètre de Mobilité Electrique Circulaire). For the experimental validation, effective thermophoretic velocities of monodispersed spherical latex particles for diameters ranging from 64 nm to 500 nm and a temperature gradient equal to 50 750 K/m are measured and compared with theoretical values. The good agreement between the experimentals results and theoretical values of Beresnev and Chernyak (1995) helps us to validate the operation of the instrument.Then we compare experimental thermophoretic velocity obtained with the SMTC for spherical particles and aggregates produced by a combustion aerosol generator. Contrary to the results obtained with the PSL particles, we observe that the thermophoretic velocity of aggregates increases with the electrical mobility diameter. Thanks to a morphological study of the aggregates, we showed that the thermophoretic velocity depends on the number of primary particles of the aggregate. These experimental results confirm,for the first time, the theoretical data of Mackowski (2006) obtained by a Monte Carlo simulation. Moreover, a comparison with the experimental results of Messerer et al. (2003) shows that thethermophoretic velocity of aggregates seems independent of the primary particle size
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
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