Suivi tridimensionnel de TRAjectoires monodisperses par mesures Quantitatives – TRAQ

La connaissance quantitative de la trajectoire d’éléments discrets immergés dans les fluides est une donnée importante utilisable dans de multiples domaines scientifiques et industriels. Dans le champ scientifique et technique du Bâtiment l’enjeu est à la fois environnemental et énergétique. Sur le plan environnemental, l’enjeu est la qualité de l’air, un enjeu de santé publique. Il s’agit de prédire le déplacement de contaminant ou de gaz dangereux dans un espace confiné afin d’optimiser les stratégies de ventilation ou d’évacuation. La crise sanitaire actuelle nous rappelle l’importance d’une telle prédiction. Sur le plan énergétique, cela permet de comprendre la dynamique des transferts aérauliques pour optimiser les systèmes chauffage ou de refroidissement dédiés au confort thermique.

Les outils de simulation numérique (modèles CFD), aujourd’hui largement utilisés pour prédire les écoulements, peinent à donner des résultats satisfaisants en dehors de cas types bien définis. L’acquisition de données expérimentales de qualité reste donc une étape majeure tant pour l’étude directe des écoulements fluides que pour l’amélioration des outils numériques dédiés. Or, les techniques de mesure actuelles se révèlent insuffisantes à la caractérisation complète de ces écoulements. Par exemple, le domaine du bâtiment se distingue par des écoulements en grands champs, basses-vitesses et turbulents, alors que les techniques actuelles de mesures de vitesses ne donnent qu’une information limitée à un point de mesure ou une mince nappe laser dans le meilleur des cas. Les gaz traceurs utilisés pour visualiser les trajectoires ne donnent qu’une information qualitative.

L’objectif du projet TRAQ est à la fois la mise au point finalisée d’un outil de diagnostic nouveau, utilisable hors laboratoire pour la mesure quantitative, en temps réel, de la trajectoire tridimensionnelle et de la vitesse de particules immergées dans les fluides ; et l’application de l’outil conçu à des cas d’étude à l’échelle 1. Cet outil, appelé 3DPTV (3D particle tracking velocimetry), sera d’abord appliqué aux sciences et techniques du Bâtiment et au génie des bioréacteurs, avant d’être adapté à d’autres domaines industriels. La 3DPTV est un dispositif de mesure composé de particules de densité neutre par rapport au fluide encore appelées traceurs, d’un moyen d’illumination des traceurs, d’au moins deux caméras synchrones, et enfin d’un algorithme permettant, à partir des enregistrements, d’obtenir la trajectoire 3D de chaque traceur.

L’accès au temps réel passe par la mise au point et l’assemblage de caméras intelligentes spécifiques à la 3DPTV et par la parallélisation des algorithmes existants. Le projet vise aussi à augmenter la durée de vie des traceurs actuels utilisés dans le bâtiment par une étude de chimie des interfaces, et à tester la possibilité d’obtenir un traceur thermochromique. Enfin, il vise à étendre les volumes mesurables par l’association de plusieurs systèmes 3DPTV différents et à tester une auto-calibration du réseau de caméras. Au sein de TRAQ, la 3DPTV sera appliquée à des cas concrets tels que l’étude de la propagation de particules émises lors d’une quinte de toux ou la dispersion de polluants dans un lieu d’habitation. Les données obtenues seront transmises à la communauté CFD.

Ces différents verrous technologiques peuvent être levés grâce à l’interdisciplinarité des chercheurs de l’Institut Pascal où se côtoient électroniciens, informaticiens, chimistes et mécaniciens de haut niveau. Le projet est prévu sur une durée de 48 mois et doit déboucher au minimum sur deux brevets, l’un sur le nouveau traceur et l’autre le système de 3DPTV en temps-réel.

Du fait qu’il traite du suivi de polluants dans l’air, de l’efficacité énergétique du bâtiment et de l’optimisation des procédés de production de bioénergies, le projet doit aider à répondre aux attentes sociétales fortes en matière de qualité de l’air intérieur et d’énergie propre et efficace.