Influence of non-erodible particles on aeolian erosion
Nenhuma Miniatura disponível
Data
2017-01-05
Autores
Caliman, Maria Clara Schuwartz Ferreira
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo
L’érosion éolienne est un processus naturel caractérisé par entraînement, transport et de dépôt de particules en raison de l’action du vent. Elle peut mener à
plusieurs problèmes environnementaux tels que la désertification, la dégradation
des terres, la pollution atmosphérique, entre autres. L’érosion éolienne promeut
des émissions de particules provenant des tas de stockage de matériaux granulaires trouvés couramment dans les yards ouverts sur des sites industriels. Les
caractéristiques géométriques des tas et son orientation vers le sens d’écoulement
du vent principal ont une influence forte sur la quantité de particules émises. En
outre, la présence d’autres obstacles tels que des bâtiments ou des tas supplémentaires dans les zones environnantes peut également influer sur la dynamique
des écoulements et par conséquent influencer les émissions globales. L’Agence
Américaine pour la Protection de l’Environnement (US EPA) a proposé un modèle d’émission, d’après les données de soufflerie des tas isolés avec deux formes
différentes et trois orientations des tas à la direction du vent. Il a été le modèle
plus largement utilisé pour la quantification d’émissions de poussière des sources
diffuses. Toutefois, les différentes configurations des formes et des compositions
des tas que l’on retrouve dans des sites industriels ne sont pas couvertes par ce
modèle.
La distribution de matériaux granulaires typiques disponibles en sites sidérurgiques, tels que le minerai et le charbon, sont généralement constitués d’un mélange
d’une large gamme de diamètres, allant de quelques micromètres à un centimètre.
Par conséquent, le mélange contient des particules plus grosses qui sont nonérodables même avec de fortes rafales de vent. Un lit ou un tas de matériaux
granulaires avec un spectre granulométrique large contenant des particules érodables et non-érodables expérimente une accumulation de particules non-érodables
à la surface, qui joue un rôle protecteur pour les particules érodables, en posant du
pavage sur la surface et en réduisant des émissions. Les particules non-érodables
créent les zones de sillage en aval qui protègent la fraction érodable de la surface.
Certains modèles d’émission tiennent compte la largeur du spectre granulométrique
de particules (Marticorena and Bergametti, 1995; Kok et al., 2014). Cependant, il
est supposé généralement que la quantité de particules érodables est illimitée et la
variation temporelle de la distribution de particules du matériau granulaire n’est
pas considérée.
Par conséquent, l’objectif principal de ce travail est de proposer un modèle pour estimer les émissions dues à l’érosion éolienne, en tenant compte l’influence du
pavage causée par les particules non-érodables et d’évaluer l’impact de la présence
de bâtiments et/ou plusieurs tas en yards de stockage sur l’ensemble d’émissions
de particules. Par conséquent, les tâches suivantes ont été réalisées :
• Évaluation de l’influence des particules non-érodables sur la distribution des
contraintes de cisaillement (vitesse de frottement) sur la surface par moyen
de simulation numérique de l’écoulement sur des lits de matériaux granulaires
;
• Analyse de l’influence de pavage et des phénomènes de l’impact sur les émissions causées par l’érosion éolienne ;
• Analyse de l’influence d’une surface inclinée (tas de stockage) sur les émissions ;
• Recherche sur l’impact de la présence de bâtiments et/ou plusieurs tas sur
l’érosion éolienne.
Le modèle analytique proposé a été initialement développé pour quantifier les
émissions des lits de particules. Il prend en compte deux phénomènes importants
au cours de l’érosion éolienne : pavages et saltations. Les effets de saltation ont
été inclus en utilisant le seuil dynamique au lieu du seuil statique. Les effets du
processus de pavage sont incorporés dans le modèle par la diminution de la vitesse
de frottement moyenne sur la surface d’érosion que s’accumulent les particules
non-érodables. La distribution de la vitesse de frottement sur la surface d’érosion
d’un lit de particules a été évaluée par moyen de simulations numériques sur un domaine partiellement couvert par des éléments de rugosité. Des travaux précédents
ont défini une relation mathématique entre l’évolution de la vitesse de frottement
sur la surface d’érosion et la géométrie des éléments de rugosité (Turpin et al.,
2010; Furieri et al., 2013a). Néanmoins, la formulation n’était valide que à des
taux de couverture limitée de particules non-érodables (< 12%). Des simulations
numériques supplémentaires ont été effectuées dans ce travail pour étendre la formulation afin d’y inclure d’autres cas rencontrés dans des situations réelles (avec
plus grandes quantités de particules non-érodables). Il a été révélé que la forme
mathématique de la relation proposée précédemment pour la vitesse de frottement en fonction des paramètres géométriques des éléments de rugosité (diamètre,
hauteur émergente et taux de couverture) est toujours valable, mais les constantes
numériques devaient être modifiées afin de couvrir le large éventail de cas rencontrés dans la nature. Les résultats numériques ont permis la modélisation du
processus de pavage puisque les particules non-érodables accumulent sur la surface
du lit de particules.
Le modèle d’émission proposé décrit la relation entre la valeur minimale de la
vitesse de frottement (au cours de laquelle les émissions cessent), prenant avantage
des résultats numériques, et la profondeur finale érodée du lit, qui à son tour, fournit la masse émise. Un des avantages du modèle est qu’il est une expression
algébrique simple qui exige l’effort de calcul faible. Le modèle prédit avec succès
la diminution des émissions avec la proportion de l’augmentation de particules
non-érodables. En outre, le taux de couverture des particules non-érodables après
le phénomène du pavage a été quantifié.
Des expériences en soufflerie ont été menées afin de mieux comprendre le
phénomène du pavage et d’estimer les émissions d’un lit de particules. Les résultats expérimentaux ont aussi servi à valider la modélisation, y compris la masse
globale émise et les caractéristiques finales de la surface du lit. Une granulométrie
bimodale de sable avec des particules érodables et non-érodables pour les vitesses
testées a été utilisée. Trois types de mesures ont été effectuées : (i) pesée successive
de la masse émise, (ii) profondeur d’érosion du lit (iii) taux de couverture finale des
particules non-érodables en utilisant l’analyse numérique des photos du lit de sable
après expériences. Un bon accord a été trouvé entre les résultats expérimentaux
et modélisées pour les émissions et la profondeur du lit érodé.
Le modèle d’émission a été étendu pour décrire l’érosion des tas de stockage.
Dans ce cas, l’érodabilité des particules est plus complexe car la vitesse de frottement et les conditions de seuil ne sont pas spatialement homogènes. La vitesse
de frottement n’est pas constante sur la surface du tas une fois que le tas se comporte comme un obstacle et modifie l’écoulement de vent. Les conditions de seuil
d’émission ne sont pas uniformes sur toute la surface du tas une fois que la pente
crée des contributions distinctes des forces qui agissent sur les particules. La vitesse
de frottement du seuil locale sur la pile dépend de la pente et de la direction de la
contrainte de cisaillement basale locale. Par conséquent, la distribution de cisaillement sur le tas est requise comme données d’entrée pour le modèle d’émissions
pour les tas de stockage.
L’idée du modèle d’émission de tas est de diviser la surface du tas. Tout
d’abord, il se subdivise en des isosurfaces où les critères de seuil sont constants.
Une fois que le seuil est défini pour chaque partie du tas, les domaines avec le
même dégrée d’exposition au vent sont regroupés. Ainsi, chacun de ces domaines
est séparé dans des isosurfaces avec vitesse de frottement constante. Après les
deux subdivisions, chaque isosurface dans lequel les conditions de seuil et la vitesse
de frottement sont constantes est considérée comme une source différente, où le
modèle d’émission peut être appliqué.
Des expérimentations en soufflerie ont été également effectué afin d’estimer les
émissions d’un tas de sable contenant une distribution granulométrique bimodale.
La modélisation et les résultats expérimentaux ont été comparés pour la configuration d’un tas de stockage isolé (oriented 60 and 90° à la direction de l’écoulement
principal) et un bon accord a été trouvé entre l’estimation et la masse émise mesuré.
L’impact de la présence d’un obstacle sur l’émission de particules a également
été évalué une fois que les sites industriels comprennent habituellement plusieurs
tas de matériaux granulaires et bâtiments à proximité. Des expérimentations de
soufflerie et des simulations numériques ont été réalisées pour plusieurs configurations, en évaluant les effets de : (i) orientation du flux de vent principal, (ii)
vitesse d’écoulement de vent, (iii) l’écart entre les obstacles et (iv) la quantité de
particules non-érodables.
Dans l’étude expérimentale, les particules dans les tas avaient une granulométrie bimodale, composé de sable qui a été érodable (blanc) et non-érodable
(noir) dans la gamme de vitesse étudié. Les couleurs contrastantes ont permis la
visualisation de l’accumulation de sable non-érodable. La distribution du cisaillement et des lignes de flux prévues par les simulations numériques a été associé
aux visualisations pariétales de l’érosion. En plus, la masse émise a été quantifiée
expérimentalement comme la différence entre les poids des tas initiaux et finaux.
Il a été constaté que les interférences de l’écoulement entre les deux tas augmentent les émissions et le montant global peut être plus de deux fois les émissions
d’un tas isolé. Le tas en aval est beaucoup plus affecté que le tas en amont. Les
particules du tas en amont incident sur le tas en aval, ce qui promeut des éjections
en plus. En outre, il a été constaté que les changements de l’écoulement en raison
de la présence du bâtiment augmentent les émissions, en particulier de la partie
en amont du tas. Par conséquent, toutes les perturbations du vent ont un impact
significatif et doivent être reprises dans l’estimation des émissions de poussière et
modélisation.
Cette étude est une étape importante vers une évaluation plus précise des
émissions de l’érosion éolienne des lits et tas de stockage de matériaux granulaires.
Cependant, des recherches sont encore nécessaires pour étudier le processus de
pavage dans des situations plus générales pour des applications pour des conditions réelles telles que celles trouvées sur les sites industriels. Il est recommandé
d’effectuer des analyses de similarité entre le modèle de soufflerie et un tas réel
afin de représenter fidèlement le comportement du champ. En outre, il y a des
limites dans le modèle proposé et de plus amples recherches sont également nécessaires. Du travail en plus pour améliorer la modélisation en incluant un critère
de suspension de particules afin d’enquêter sur le comportement des particules
après l’entraînement et déterminer s’ils restent en suspension ou sont éliminés par
les dépôts. L’influence des autres paramètres, tels que les conditions de stabilité
atmosphérique, la température et l’humidité peut aussi être importante.
La thèse est organisée en 5 chapitres. Chapitre 1 présente les informations
de fond sur l’écoulement atmosphérique et l’érosion éolienne et une revue de la
littérature scientifique pertinente. Chapitre 2 présente les résultats obtenus par
l’étude expérimentale de l’érosion éolienne des lits, décrivant le développement
théorique du modèle d’émissions pour les surfaces horizontales qui utilise les résultats numériques de la partition de la contrainte de cisaillement sur un lit contenant des particules non-érodables, et présente la validation du modèle. Chapitre
3 présente le modèle étendu d’émission pour les tas de stockage et discute l’impact
sur les émissions des obstacles supplémentaires en sites ouverts, comme un autre
tas ou d’un bâtiment, à l’aide de simulations numériques pour obtenir le champ
de contraintes de cisaillement et des données expérimentales obtenues en soufflerie
pour valider le modèle d’émission. Enfin, les chapitres 4 et 5 présentent les conclusions de cette thèse et les recommandations pour les travaux futurs.
Descrição
Palavras-chave
Emissões fugitivas