Premiers Instants de la remise en suspension de particules : investigation et modélisation dans un écoulement d’air accéléré

Contexte de la thèse :

Ce sujet concerne les risques pour la santé humaine associés aux microparticules aéroportées, dont la nature peut être très diversifiée (inertes, chimiques, biologiques ou radioéléments). Il s’agit plus particulièrement de comprendre les mécanismes à l’origine de la remise en suspension de microparticules depuis des surfaces libres, lorsqu’elles sont soumises à des évènements transitoires aérodynamiques (accélération de l'écoulement moyen). Cette étude vise ainsi à terme à contribuer à un meilleur contrôle des risques liés aux contaminations aéroportées en air intérieur en améliorant la modélisation de ce phénomène.

Objectifs :

La thèse proposée vise à mieux comprendre et modéliser les mécanismes de remise en suspension de microparticules soumises à des écoulements d’air accélérés. Elle s’inscrit dans la poursuite de travaux expérimentaux menés lors de deux thèses co-encadrées par IMT Atlantique et INRAE OPAALE (Corentin Cazes en 2023, et Mélanie Baptiste en 2026).

Ces travaux précédents ont permis de mettre au point un banc expérimental et d’obtenir un certain nombre de résultats concernant les liens entre la dynamique de l’écoulement et la remise en suspension des particules sphériques. Le phénomène de remise en suspension repose sur la compétition entre les forces maintenant les particules déposées sur la surface solide (forces d’adhésion et de pesanteur) et les forces tendant à les détacher de cette surface (aérodynamiques et/ou mécaniques). La remise en suspension dépend donc des propriétés de l’air, ainsi que de nombreux paramètres relatifs aux particules elles-mêmes (taille, morphologie, propriétés de surface), à la paroi sur laquelle ces particules sont initialement déposées (rugosité, charge électrostatique …), ainsi qu’aux éventuelles forces aérodynamiques auxquelles elles peuvent être soumises. 

Les derniers travaux sur le sujet ont permis de préciser les liens entre propriétés de l’écoulement et remise en suspension, mais la nature du mouvement initial des particules (roulement ou glissement à la paroi, décollage dans le flux d’air, rebond(s), chocs entre les particules, …) est encore difficile à déterminer, en particulier lorsque les concentrations initiales sont importantes. Or les modélisations actuelles manquent de précision, et gagneraient à être enrichies par la nature du mouvement initial et la probabilité de remise en suspension associée.

Il s’agira donc au cours de la thèse de :

- poursuivre et enrichir la modélisation stochastique de la remise en suspension grâce aux mesures précédemment acquises en s’appuyant sur les modèles Monte-Carlo développés en collaboration avec l’Université de San Luis (Argentine) et en y incorporant les paramètres étudiés lors des travaux précédents ;

- mesurer de manière plus précise la dynamique des particules aux premiers instants de leur remise en suspension à l’aide de trois caméras rapides et en y associant simultanément la dynamique de l’écoulement, en vue de compléter la modélisation.

La thèse s'effectuera au sein dans des locaux de l’U.R. INRAE OPAALE à Rennes (équipe ACTA), en co-encadrement avec l’équipe TEAM (du laboratoire GEPEA) /  Département Systèmes Energétiques et Environnement d’IMT Atlantique à Nantes où pourront être effectués ponctuellement quelques expériences complémentaires. Des échanges auront lieu régulièrement avec l'Université de San Luis en Argentine autour de la modélisation stochastique.

Compétences : Mécanique des fluides (écoulements diphasiques, turbulence), Modélisation stochastique, Statistiques

Profil recherché :

Pour mener à bien cette thèse, le ou la candidat.e devra avoir de bonnes notions de mécaniques de fluides ou de physique des aérosols (compréhension du transport de particules et des interactions entre des « inclusions » et le fluide porteur), mais également des compétences statistiques et en modélisation stochastique (volet mathématiques appliquées ou physique statistique). Le ou la candidat.e doit nécessairement se situer à l’interface entre physique et mathématiques appliquées, avec au moins une spécialité dans un des deux domaines et une appétence marquée pour le deuxième. La partie expérimentale, si elle reste importante, est bien maîtrisée en interne. Ainsi, sans qu’il soit indispensable d’être spécialiste en expérimental, il faut néanmoins avoir un certain attrait pour les méthodes expérimentales ainsi que le traitement de données pour mener à bien ce sujet.

Le candidat devra faire preuve d’autonomie et présenter un esprit d’initiative marqué. Une bonne maîtrise de la langue française et anglaise est indispensable.