Simulation numérique des écoulements d'air et de polluants induits par le mouvement d'une personne : effets sur les dispositifs de confinement dynamique

Devices for extracting toxic vapours from substances used during manipulation, such as laboratory fume cupboards, are widely used to protect the operators. These devices are based on a ventilation system which induces a flow generating suction air to provide containment and extraction of the gaseous pollutants. However, people using these devices induce, by their movements, aerodynamic disturbances which are fundamentally unsteady and turbulent, potentially impacting, often severely, the performance of these protection devices. While their vulnerability when exposed to these disturbances is known, there is currently no available way to quantitatively assess their impact. That said, the emergence of high-performance computation capabilities combined with numerical simulation in fluid mechanics now makes it possible to simulate unsteady and turbulent flows induced by moving obstacles at the scale of a work space. In this context, this work is dedicated to the development of a numerical model essentially based on the combination of a large eddy simulation approach for turbulence and an immersed boundary method for moving obstacles. This numerical model will then allow the study and quantitative analysis of the impact of aerodynamic disturbances on dynamic containment devices. A first part of this work consists, first of all, in carrying out verifications and validations of the different coupled modelling. The numerical model is then used to carry out unsteady and turbulent numerical simulations of the movement of an obstacle in front of a laboratory fume cupboard in use, in a typical size of a laboratory work room. Finally, the results of these simulations are compared with measures of containment efficiency, carried out on a full-scale laboratory experiment.Les dispositifs d’extraction de vapeurs toxiques de produits utilisés lors de manipulation, telles que les sorbonnes de laboratoire, sont massivement employés pour protéger les manipulateurs. Ces dispositifs sont basés sur un système de ventilation générant un écoulement d’air d’aspiration qui doit assurer le confinement et l’extraction des polluants gazeux. Or, les personnes qui utilisent ces dispositifs induisent, par leur mouvement, des perturbations aérauliques qui sont fondamentalement instationnaires et turbulentes, pouvant alors impacter, parfois gravement, le fonctionnement de ces dispositifs de protection. Bien que soit connue leur vulnérabilité lorsqu’ils sont exposés à ces perturbations, il n’existe pas à l’heure actuelle de moyens d’évaluer quantitativement leur impact. Cela dit, l’avènement des moyens de calculs haute performance combiné à la simulation numérique en mécanique des fluides rend aujourd’hui possible la simulation d’écoulements instationnaires et turbulents induits par des obstacles mobiles à l’échelle d’un local de travail. Dans ce contexte, ce travail est dédié à l’élaboration d’un modèle numérique basé essentiellement sur le couplage d’une approche par simulation des grandes échelles pour la turbulence et d’une méthode de pénalisation de type frontière immergée pour les obstacles mobiles. Ce modèle numérique permettra alors l’étude et l’analyse quantitative de l’impact des perturbations aérauliques sur les dispositifs de confinement dynamique. Une première partie de ce travail consiste d’abord à effectuer des vérifications et des validations des différentes modélisations couplées. Le modèle numérique est ensuite utilisé pour réaliser des simulations numériques instationnaires et turbulentes du passage d’un obstacle mobile devant une sorbonne de laboratoire en fonctionnement, dans un volume représentatif d’un local de travail en laboratoire. Enfin, les résultats de ces simulations sont confrontés à des mesures d’efficacité de confinement, réalisées sur une expérience de laboratoire à taille réelle