Écoulement et capture d'aérosol par un textile : du masque chirurgical à la collecte de brouillard

Flow and aerosol collection with textiles : from facemask to fog harvesting

• Auteur / Autrice : Olivier Marchand
• Direction : Camille Duprat, Christophe Josserand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 16/05/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1990-....) - Laboratoire d'hydrodynamique / LadHyX
• Jury : Président / Présidente : François Gallaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Camille Duprat, Christophe Josserand, Anne Mongruel, Manouk Abkarian, Benjamin Leclaire, Nicolas Vandewalle, Élise Lorenceau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Mongruel, Manouk Abkarian

Mots clés

Mots clés contrôlés

Filtration

Air -- Écoulement

Porosité

Mots clés libres

Porosité

Aérosol

Écoulement

Filtration

Porosity

Aerosol

Flow

Filtration

Résumé

La compréhension de l'écoulement à travers des textiles et des mécanismes de capture des aérosols a un double intérêt inattendu : permettre de créer des filets plus efficaces pour collecter de l'eau douce à partir de brouillard, et développer des masques plus performants contre une pandémie respiratoire. Cette thèse se concentre sur ces écoulements à travers et autour des textiles ainsi que la capture d'aérosols par ces structures. Une première partie est consacrée aux écoulements stationnaires. Elle aborde en premier lieu l'aérodynamique des textiles d'un point de vue expérimental et théorique. Nous étudions ensuite la collecte de brouillard par des filets : en utilisant les propriétés de mouillabilité de deux fibres parallèles, nous concevons des textiles dont nous mesurons l'efficacité de collecte. Nous comparons ces données à un modèle théorique et caractérisons l'effet de l'écoulement tri-dimensionnel autour et à travers le textile sur l'efficacité de collecte. Puis dans une deuxième partie, nous abordons le cas des écoulements instationnaires, comme la toux et la bourrasque de vent. À l'aide d'une machine que nous avons construite, nous reproduisons ces écoulements. Nous utilisons ensuite cette machine pour étudier expérimentalement deux situations : le ré-entraînement des gouttes adhérant à une fibre, où nous observons un régime d'oscillation et de fragmentation, et l'écoulement respiratoire en présence d'un masque chirurgical, où nous mesurons la surpression derrière le masque en fonction de l'intensité de la toux mais aussi surtout de la taille des fuites. Pour finir, nous donnons quelques perspectives. Une première perspective concerne l'impact aérodynamique de la position des pores sur une plaque perforée où nous montrons comment augmenter ou réduire le coefficient de traînée selon la position des pores. Dans une deuxième perspective nous observons l'impact d’un jet turbulent sur un textile, nous visualisons le comportement du jet en fonction de la solidité du textile et du débit.

Understanding the flow through textiles and the mechanisms by which aerosols are captured has two unexpected benefits: it can help the creation of more efficient nets to collect fresh water from fog, and to develop more effective masks against a respiratory pandemic. This thesis focuses on flows through and around textiles and the capture of aerosols by these structures. The first part is devoted to stationary flows. We investigate first the aerodynamics of textiles from an experimental and theoretical point of view. We then study fog collection by nets: using the wettability properties of two parallel fibres, we design textiles and measure their collection efficiency. We compare these data with a theoretical model and characterise the effect of three-dimensional flow around and through the textile on collection efficiency. In a second part, we consider the case of unsteady flows, such as coughs and gusts of wind. We reproduce these flows with a machine that we have built. We then use this machine to experimentally study two situations: the re-entrainment of drops adhering to a fibre, where we observe a regime of oscillation and fragmentation, and the respiratory flow in the presence of a surgical facemask, where we measure the overpressure behind the mask with respect to the intensity of the cough and in particular the size of the leaks. Finally, we give several perspectives. The first concerns the aerodynamic impact of the position of the pores on a perforated plate, where we show how the drag coefficient can be increased or reduced depending on the position of the pores. In a second perspective, we observe the impact of a turbulent jet on a textile, we visualise the behaviour of the jet with respect to the solidity of the textile and the flow rate.