Soutenance de Abdelkader Izerroukyene (Département mécanique)

Dans le contexte environnemental actuel, marqué par le changement climatique et la crise énergétique, la biomasse suscite un intérêt croissant en raison de son potentiel de neutralité carbone. Toutefois, il est crucial d'évaluer son impact sur la santé humaine et la qualité de l'air.

Au cours de cette thèse, des mesures expérimentales et une modélisation numérique de type CFD ont été réalisées dans la cheminée d'une chaudière biomasse domestique afin d'analyser les émissions de gaz polluants et de particules lors de la combustion de granulés de bois. Une chaudière d'une puissance nominale de 10 kW, équipée d’un brûleur d'alimentation a été utilisée. Divers types de capteurs (thermocouples, débitmètres, capteurs d'humidité relative, anémomètre) ont été installés dans la chaudière.

Les émissions de particules ont été mesurées à l'aide de la technique EEPS (Engine Exhaust Particle Sizer). Par ailleurs, les émissions gazeuses (CO2, CO, hydrocarbures totaux HCT, O2) ont été déterminées par spectroscopie infrarouge (IR) et détecteur à ionisation de flamme (FID). Les émissions ont été enregistrées pendant la phase stationnaire de la chaudière et une répétabilité a été effectuée sur plusieurs essais. Quatre points de mesure dans la cheminée ont été étudiés pour évaluer l'évolution de la taille des particules et leur dépôt potentiel sur les parois le long de la cheminée.

Les résultats expérimentaux ont été comparés à un modèle numérique CFD réalisé sous OpenFOAM intégrant le transport de particules. La modélisation de l'écoulement turbulent dans la cheminée utilise une approche RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) de 1er ordre ou basée sur l’hypothèse de Boussinesq. Pour tenir compte de l'anisotropie de l'écoulement, le modèle de turbulence  a été sélectionné pour cette étude. L'effet des fluctuations turbulentes sur la phase discrète est intégré via le modèle de dispersion turbulente DRW (Discrete Random Walk). Les résultats obtenus permettent de visualiser la topologie de l'écoulement de la phase porteuse ainsi que la distribution complète du champ de particules dans la cheminée. Des mesures avancées des émissions de polluants et la modélisation du transport des particules ont été développées pour la première fois dans une chaudière domestique biomasse fonctionnant dans des conditions réelles.

Les résultats expérimentaux révèlent plusieurs informations pertinentes. Les émissions de CO et de HCT montrent une évolution similaire au fil du temps. La distribution granulométrique des particules mesurée le long de la cheminée met en évidence le phénomène d'agglomération des particules. De plus, le modèle CFD et les résultats expérimentaux fournissent des résultats concordants en termes de caractéristiques de l'écoulement et de granulométrie des particules.

Rapporteurs

• Valérie TSCHAMBER, Professeur des Universités, Université Haute-Alsace
• Xesús NOGUEIRA, Professeur des Universités, Université de la Corogne

Examinateurs

• Denis PETITPREZ, Professeur des Universités, Université de Lille
• Mathieu SPECKLIN, Maître de Conférences, Conservatoire National des Arts et Métiers - Paris

Directrice de thèse

• Céline MORIN, Professeur des Universités, INSA Hauts-de-France

Co-directeur

• Sofiane KHELLADI, Professeur des Universités, ENSAM Paris

Co-encadrants

• François BEAUBERT, Maître de Conférences, INSA Hauts-de-France
• David UYSTEPRUYST, Maître de Conférences, INSA Hauts-de-France
• Damien MÉRESSE, Maître de Conférences, INSA Hauts-de-France