Dispersion des particules issues du freinage des trains en stations souterraines.

Brake particle dispersion in the flow generated by a train in an underground station

• Auteur / Autrice : Antoine Durand
• Direction : Frédérique Larrarte, Amine Mehel, Frédéric Murzyn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 10/06/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Université Gustave Eiffel (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Keirsbulck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédérique Larrarte, Amine Mehel, Frédéric Murzyn, Laurent Keirsbulck, Béatrice Patte-Rouland, Anne Tanière, Sandrine Aubrun-Sanches, Nadège Martine Blond
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Béatrice Patte-Rouland, Anne Tanière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais en soufflerie aérodynamique

Lagrange, Équations de

Pollution atmosphérique

Constructions souterraines

Gares routières de voyageurs

Mots clés libres

Gares souterraines

Pollution particulaire

Dispersion

Freinage

CFD

Soufflerie

Underground railways

Ultrafine and fine particles

Dispersion

Brakes

CFD

Wind tunnel

Résumé

La qualité de l’air est devenue un enjeu sanitaire majeur dans le monde. Rapportés au voyageur.kilomètre, les transports en commun permettent de diminuer les émissions polluantes mais ils n’en sont pas exempts. Du fait de l’usure de ses composants (roue, rail, ballast, pantographe, caténaire, frein), l’exploitation ferroviaire génère des polluants particulaires. Ceux-ci peuvent s’accumuler dans les enceintes ferroviaires souterraines à cause des effets de confinement. Les études d’impact de cette pollution restant rares, SNCF a engagé dès le début des années 2000 des travaux sur le sujet. En 2016, un programme de caractérisation de la qualité de l’air dans 24 gares souterraines du réseau Transilien a été mis en œuvre. Il est nécessaire de compléter ces connaissances par celle des mécanismes de dispersion des particules émises au freinage en gare souterraine pour implémenter des solutions pérennes. L’objet de cette thèse est donc de caractériser cette dispersion. Pour cela, une approche couplée numérique et expérimentale est proposée. La dispersion est d’abord étudiée grâce à des simulations Euler-Lagrange. La configuration d’étude numérique a ensuite été reproduite en soufflerie. Des campagnes de mesures monophasiques (PIV) et diphasiques permettent ensuite de valider les simulations. De là, les principales régions de l’écoulement responsables de la dispersion des particules de freinage sont identifiées. Les résultats montrent que les structures cohérentes générées par le matériel roulant ont une grande influence sur la dispersion des particules émises lors du freinage. Toutefois elles ne sont pas responsables de la dispersion de ces particules nouvellement émises vers le quai. Enfin, de nombreuses particules se déposent dans la cavité du bogie qui les a émises.

Air quality has become a worldwide issue. Mass transit is a sustainable transportation mode with fewer emissions per passenger.kilometre than other modes. However, it is not free of pollutant emissions. Wear on train components (wheel, rail, ballast, pantograph, catenary, brakes) generates particulate pollutants. For underground railways (UR), an accumulation of these particles may occur because of confinement effects. UR pollutants have a different composition from outdoor ones. The lack of scientific studies to properly characterize their health effects, led SNCF to launch a wide research plan in this field in 2000. In 2016 a measurement program to monitor air quality within 24 underground stations was implemented. However, it still remains mandatory to improve our understanding of brake particle dispersion. It can provide useful data to implement sustainable air quality remediation devices. In this thesis, the dispersion of particles emitted by train brakes is assessed. Both numerical and experimental approaches are proposed. First, the dispersion is studied through Euler Lagrange simulations. Then the numerical setup is replicated within a wind tunnel. Afterwards, simulations are validated conducting single phase flow (PIV) and two-phase flow experiments. From there, the main flow regions around the train responsible for particle dispersion are identified. Our results show the ability of coherent structures to disperse brake particles. Interestingly, these structures are not responsible for the dispersion of freshly emitted brake particles toward the platform. Finally, an important amount of particles deposits within the bogie cavity from which they are emitted.