Revisite de la modélisation CFD d'un impacteur virtuel à débits inversés: mise en évidence de certains déterminants de la représentativité

L'échantillonnage dichotomique d'un mélange de gaz et d'aérosol est recherché dans de nombreuses applications telles que l'échantillonnage des COVS (composés organiques semi-volatils) dans l'air. Cet article réexamine la simulation numérique par mécanique des fluides numérique (CFD) du SADS, l'échantillonneur dichotomique original de COSV (Kim & Raynor, 2009) afin de déterminer quels facteurs influencent le plus la représentativité de telles simulations. Les facteurs de modélisation considérés sont la réduction axisymétrique de l'espace et le choix du modèle de turbulence (k- réalisable par rapport à k- BSL ou k- SST). Les facteurs physiques considérés sont le diamètre aérodynamique des particules (de 50 nm à 20 µm), le type de condition limite d'entrée pour le gaz et les particules (condition d'échantillonnage uniforme ou libre), la dispersion turbulente des particules et la position radiale initiale des particules à l'entrée. Les résultats sont étayés par une procédure de vérification numérique étendue et par les données de validation disponibles. Dans cet écoulement diphasique transitoire confiné, il s'avère que la simplification axisymétrique est possible, que le modèle de turbulence affecte significativement l'écoulement prédit mais moins les pertes de charge et marginalement le devenir des particules d'aérosol. La dispersion turbulente des aérosols est négligeable, mais les conditions aux limites d'entrée ont un effet décisif sur le mouvement des aérosols dans le dispositif, malgré une influence marginale sur l’écoulement d’air porteur. En particulier, pour des diamètres aérodynamiques supérieurs à 2 µm, les conditions d'échantillonnage libre produisent un fort effet de focalisation des particules qui aide considérablement à limiter le dépôt sur les parois. Ces résultats soulignent particulièrement l'importance d'utiliser une condition d'entrée physiquement cohérente pour les particules d'aérosol lors de la simulation des échantillonneurs d'aérosol : en particulier l’usage répandu de condition uniforme doit être revu. Les résultats rappellent également la nécessité d'une procédure de vérification approfondie pour le calcul des deux phases lors de l'utilisation de la CFD pour des échantillonneurs similaires. En ce qui concerne l'application à l'échantillonnage dichotomique, il apparaît que tout processus qui éloigne les particules de la paroi lors de leur entrée améliore l'efficacité de séparation du dispositif tout en diminuant le dépôt.