Brevet FR2412068A1 — publié le 19790713

La présente invention se rapporte à un procédé pour l'étude, sur modèle réduit, des phénomènes de dispersion et de sédimentation des particules solides ou liquides contenues dans un effluent gazeux émis dans un milieu gazeux. Les particules dispersées considérées ici sont telles qu'elles possèdent sous l'effet de la gravité un mouvement propre de sédimentation par rapport au milieu -gazeux dans lequel elles sont émises. De plus la vitesse de sédimentation des particules est généralement faible par rapport aux vitesses de circulation dont le milieu gazeux est le siège. Dans la plupart des modèles physiques utilisés pour la représentation de l'écoulement des fluides, les veines fluides présentent des vitesses de circulation nettement plus faibles que les vitesses réelles correspondantes. La bonne representation des phénomènes de sédimentation exige que soit conservé sur le modèle le rapport de la vitesse de sédimentation des particules à la vitesse de la veine en des points homologues. Les vitesses de sédimentation sur le modèle doivent donc etre notablement réduites par rapport aux valeurs réelles. Or une telle réduction constitue une grosse difficulté de l'emploi d'un modèle à air car on ne peut jouer pour réduire les vitesses de sédimentation que sur une réduction du diamètre des particules. Par contre, emploi d'une analogie hydraulique avec veine liquide modifie le problème. Il est, en effet possible, dans ce cas de réduire à volonté les vitesses de sédimentation, car celles-ci dépendent de la valeur de la masse spécifique des particules par rapport au fluide ambiant . Alors que dans le cas d'un modèle à-air, il n'est pas possible de modifier dans les limites voulues le paramètre représentant le rapport des densités, il est très facile de l'ajuster avec une grande latitude dans un modèle utilisant l'eau, par l'emploi de particules d'une masse spécifique assez voisine de celle de l'eau. Dans ces conditions, la présente invention a pour objet un procédé pour l'étude sur modèle réduit de la dispersion et la sédimentation de particules contenues dans un effluent gazeux émis dans un milieu gazeux caractérisé par l'utilisation d'une analogie hydraulique dans laquelle le milieu gazeux est représenté à une échelle de similitude par une veine liquide, dans laquelle on introduit par un orifice un mélange homogène d'un autre liquide miscible avec le premier et contenant des particules fines, ledit mélange représentant a une échelle de similitude appropriée l'effluent gazeux contenant les particules, et en ce qu'on mesure la dispersion et la sédimentation desdites particules fines dans la veine liquide. En général dans la nature, les particules émises (par exemple des poussières) présentent un spectre granulométrique assez étendu. Celui-ci étant connu préalablement on peut sur le modèle : soit adopter un mélange de particules représentant le même spectre (au point de vue des vitesses de sédimentation), soit opérer par tranches correspondant chacune à une bande étroite du spectre, les résultats obtenus pour les différentes tranches étant additifs. Ainsi, dans le cas, par exemple, de la reproduction par analogie hydraulique directe, d'une émission de poussières par une cheminée, l'atmosphère sera représentée sur le modèle par de l'eau, l'effluent gazeux sortant de la cheminée et contenant les poussièces sera représenté par un liquide plus léger que l'eau (par exemple une solution à base d'alcool) contenant une suspension de particules d'une densité supérieure à 1 et dont la granulométrie aura été choisie de telle manière que le rapport vitesse de sédimentation/vitesse générale de la veine soit conservé. Si, ainsi qu'il est classique dans une telle analogie, la répartition des vitesses et la turbulence sont convenablement ajustées, la dispersion et la retombée des particules émises seront semblables à celles obtenues dans la nature. On pourra aussi utiliser une analogie hydraulique inversée, en inversant dans l'exemple précité la position de la cheminée pour lui faire éjecter l'effluent vers le bas, auquel cas la densité dudit effluent est inversée, ctest-à-dire supérieureà la densité de l'eau de la cuve représentant l'atmosphère. L'effluent est alors avantageusement constitué par une solution saline, plus lourde que l'eau, contenant des particules d'une densité inférieure à celle de l'eau. Il est nécessaire sur le modèle que le mélange de particules dans le liquide représentant l'effluent et sortant de l'organe d'émission soit bien homogène. Dans ce but, il est avantageux de parfaire le mélange dans une chambre placée directement en amont de l'organe d'émission, chambre dans laquelle le mélange est introduit et une turbulence convenable est entretenue pour éviter tout dépôt des particules et assurer leur introduction en mélange homogène dans cet organe d'émission. La mesure de la dispersion en un point de'la veine du modèle peut etre faite par le procédé classique du prélèvement suivi d'un dosage, en prenant toutefois la précaution d'utiliser une prise isocinétique, c'està-dire une prise dans laquelle la vitesse de prélèvement du liquide est exactement celle du liquide au point de prélèvement. La détermination des retombées au sol sera faite avantageusement par un enregistrement photographique à la verticale. D'autre part les dépôts peuvent être recueillis au sol sur une plaque ou sur un godet plat permettant directement leur dosage par pesée. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre d'une forme d'exécution en analogie hydraulique directe choisie à titre d'exemple, en référence à la figure annexée, représentant le comportement de particules contenues dans des effluents rejetés par une cheminée dans l'atmosphère. Dans ce cas, l'atmosphère sera représentée par de l'eau circulant dans une cuve de dimensions appropriée5; la vitesse du vent étant simulée par la vitesse de déplacement de l'eau, les effluents rejetés par la cheminée étant représentés par une solution liquide de sensité et de vitesse d'éjection appropriées, cette solution contenant des particules appropriées en similitude aux particules réelles dont on veut étudier le comportement. On voit sur la figure annexée l'installation d'essai, constituée par une cuve 1 dans laquelle circule de l'eau constituant la veine liquide 2 représentant le milieu gazeux, à savoir l'atmosphère adiabatique ou non dans laquelle se diffusent par une cheminée 3 a une échelle choisie des effluents contenant des poussières. Le sol du bassin comporte une maquette faisant ressortir, à la même échelle, le relief 4 (montagnes, batiments, obstacles). Une première chambre de mélange 17 est alimentée au moyen d'un tube 5 par un liquide miscible plus léger que l'eau, par exemple une solution à base d'alcool, représentant le rejet gazeux de la cheminée, pour obtenir l'ascendance voulue, et par des particules fines représentant les poussières réelles. Ces particules fines sont constituées par du sable calibré ou tout autre produit de densité convenable en similitude selon leur vitesse de chute, celles-ci étant obtenues par le choix de la granulométrie et de la densité. Le mélange sortant de la chambre 17 est amené par un tube 6 dans une chambre d'homogénéisation 7 contenant un dispositif de brassage 8 actionné par un moteur 9, afin d'éviter tout dépôt de particules avant l'introduction dans la cheminée 3 et assurer une émission homogène et constante par ladite cheminée. Une prise isocinétique 10 permet d'effectuer un prélèvement en un point donné 13 de la veine liquide 2, et de l'introduire au moyen d'une pompe 16, réglée de façon à obtenir dans la prise une vitesse identique à celle de la veine 2 audit point 13 dans un analyseur 11, pour mesurer la dispersion en ce point. Un appareil photographique 12 permet la détermination des retombées sur le sol de la cuve sur l'ensemble de la zone de ces retombées. L'emploi de particules claires sur un fond sombre facilite l'observation. De même, l'emploi de particules luminescentes ou sensibles aux rayons ultraviolets permet d'obtenir des clichés sur lesquels seules les particules laissent une trace lumineuse. Par l'emploi d'une durée de dépôt convenablement ajustée à son intensité, il est possible d'obtenir une densité en points lumineux proportionnelle à l'intensité locale du dépôt. Une seule photo suffit alors à déterminer la répartition de concentration à partir des intensités de noircissement au d'exposition du cliché. L'emploi de particules luminescentes est avantageux dans ce cas. Il conviendra, toutefois, de ne pas trop accroltre la durée du dépôt afin dtéviter une saturation dans les zones les plus atteintes. Par ailleurs, les dépôts peuvent être recueillis au sol en des zones restreintes particulières sur une plaque ou sur un godet plat 14 permettant directement leur dosage par pesée. La vitesse de déplacement de la veine liquide 2,- ainsi que la densité du jet de liquide léger et de particules fines émis par la cheminée et la vitesse d'éjection de cette émission sont calculés comme suit dans le présent exemple. Les paramètres définissant l'atmosphère sont - la vitesse de vent v - la densité de l'air p Ceux définissant l'effluent sont - la vitesse d'éjection u - le diamètre de la cheminée D - la densité de l'effluent p - p et ceux définissant les poussières mélangées à l'effluent sont - la courbe granulométrique des poussières - la densité des poussières. Les rapports des grandeurs homologues, dans la nature et sur le modèle, sont pour ce problème particulier : - le nombre de Froude généralisé - le rapport des vitesses des effluents et de vent uv w - le rapport des vitesses de chute des poussières et du vent v en des points homologues bP étant la différence de densité entre les effluents et l'atmosphère g étant l'accélération de la pesanteur. Soit à représenter une cheminée de 1,00 m de diamètre émettant des effluents à 1000C de même densité que l'air (à température et pressions égales) à une vitesse de 15 m/sec, contenant des particules ayant une courbe granulométrique et des densités données se traduisant par des vitesses de chute comprises entre 0,1 et 1 m/sec. On choisit par exemple pour le modèle un diamètre de cheminée de 8 mm et pour la solution légère à base d'alcool une densité de 0,940. Cette solution sera ainsi émise à une vitesse u = 0,64 m/sec pour respecter l'égalité des nombres de Froude. L'échelle des vitesses est 0,64 = 0,ou3 15 il convient alors de choisir des particules (grains de sable calibrés) telles que-leur vitesse de chute dans l'eau soit comprise entre 0,1 m/sec x 0,043 et I m/sec x O,Q43 se conformant à l'échelle de vitesse de 0,043 définie soit : 0,004 et 0,043 m/sec cela pouvant être obtenu avec des grains de sable calibrés de 50 à 300 P de diamètre. Dans ces conditions un vent moyen v = 5 m/sec correspond à une vitesse d'écoulement de la veine liquide de 5 m/s x 0,043 = 0,215 m/s. On effectue alors l'vessai dans ces conditions, la veine liquide 2 s'écoulant à une vitesse moyenne de 0,215 m/s) le liquide de la cheminée étant d'une densité de 0,940 et contenant des grains de sable de 50 à 300 p de diamètre, suivant une courbe granulométrique convenable, ce mélange étant éjecté dans l'eau pure de la cuve avec une vitesse de 0,64 m/sec. La prise isocinétique 10 et l'analyseur 11 permettront de mesurer la dispersion des grains au point 13 de la cuve et l'appareil photographique 12 permettra de déterminer la répartition et le dosage sur toute la zone 15 de retombée des grains. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour l'étude sur modèle réduit de la dispersion et de la sédimentation de particules contenues dans un effluent gazeux émis dans un milieu gazeux, caractérisé par l'utilisation d'une analogie hydraulique dans laquelle le milieu gazeux est représenté à une échelle de similitude par une veine liquide dans laquelle on introduit à une échelle de similitude appropriée, par un orifice, un mélange homogène d'un autre liquide miscible avec le premier et contenant des particules fines, ledit mélange représentant l'effluent gazeux contenant les particules, et en ce qu'on mesure la dispersion et la sédimentation desdites particules fines dans la veine liquide. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section de l'orifice de rejet et la densité du liquide représentant effluent gazeux ayant été choisis, l'effluent liquide est éjecté à une vitesse telle qu'elle satisfasse la formule généralisée de similitude de Froude, l'échelle de la vitesse de la veine liquide par rapport à celle du milieu gazeux étant déterminé à la meme échelle que celle du rapport de la vitesse d'éjection du mélange liquide par rapport à celle de l'effluent gazeux, la granulométrie et la densité des particules fines de l'effluent liquide étant telles que le rapport de leur vitesse de chute dans le liquide de la veine par rapport à celle des particules dans le milieu gazeux corresponde à cette échelle. 3/ Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par une cuve (1) comportant des moyens pour faire circuler à une vitesse prédéterminée une veine liquide (2) représentant à une échelle de similitude un milieu gazeux ambiant,un organe d'émission (3) pour introduire dans ladite veine liquide à une vitesse prédéterminée un mélange homogène d'un autre liquide et de particules fines représentant à une échelle appropriée l'effluent gazeux contenant des particules, émis dans le milieu gazeux, des moyens (7, 8) pour réaliser un mélange homogène dudit liquide et des particules immédiatement à l'amont de l'organe d'émission et des moyens (10, 12, 14) pour mesurer la dispersion et la sédimentation des particules fines dans la veine liquide (2) représentant le milieu gazeux.