Séminaire PEPS, janvier 2014 (Procédés, Environnement, Pesticides, Santé)
Atomisation et dispersion d’un jet : de la modélisation, des mesures, de l’eau et des produits ou : Réduire les pollutions liées aux pesticides en comprenant ce qu’il se passe : - pendant la formation des gouttes - pendant leur transport dans l’air
A Vallet, C. Tinet, F. Felis
Contexte : Réduire l’utilisation de pesticides
Pesticide : herbicide, fongicide, insecticide Bouillie : eau, matière active, adjuvants France : 1er consommateur européen, 4ème rang mondial (C.A.) En moyenne, entre 3.2 kg (source UIPP) et 5.4 kg (source générations futures) de matière active par hectare et par an sur les cultures françaises. (Facteur 1.7!) Plan Ecophyto2018 : réduction 50% de l’utilisation de produit phyto. Les physiciens aiment les unités : réduction en volume ? en masse ? de bouillie ? de matière active ? Quid de la « puissance » des produits ? NB : en agriculture conventionnelle, contre l’oïdium : dose 100 g/ha en agriculture biologique 10 kg/ha Facteur 100 ! Donc : 3.2 ou 5.4 kg ?: question non pertinente ! MAIS PLUTÔT : COMMENT METTRE AU BON ENDROIT CE QU’IL FAUT ?
Diversité des moyens de pulvérisation :
Grande culture : Projection axe vertical
Arbori- viti culture : Projection radiale, axe horizontal
COMPLEXITE DES PHENOMENES : MILIEU EXTERIEUR : influence vent u_i, T, H° ECOULEMENTS DIPHASIQUES TURBULENTS COUPLAGE BUSE/PRODUIT FONDAMENTAL
- de terrain; - de laboratoire; - de modélisation physique.
Etudier l’atomisation et la dispersion d’un jet (expé-modèle): - comment sont les gouttes ? (taille et vitesse) - où vont-elles ? (dispersion du liquide) Dérive : gouttes de diamètre inférieur à 100 microns… Critère sur vitesse + pertinent ? S’intéresser au spectre de taille et de vitesse ?
Equipe PEPS : 3 approches complémentaires :
Hypothèses sur le liquide pulvérisé : eau (norme) puis surfactants puis émulsions réelles Hypothèses sur la façon dont il est pulvérisé : - sans air concourant puis avec air concourant Hypothèses sur l’environnement : -Effets de la gravité négligée (pulvérisation verticale) puis prise en compte - Vent, évaporation négligés, puis pris en compte (interaction spray/vent latéral)
« Hypothèses » sur le domaine spatial : Moins d’un cm de la buse (thèse de M. De Luca 2007), puis plusieurs mètres de la buse (thèse de C. Stevenin 2012)
Hypothèses : fortes au début puis progressivement allégées pour tendre vers la réalité
Mesure ponctuelle et simultanée de la taille et de la vitesse de milliers de gouttes. Déplacement en x, y, z de la buse ! N points de mesure, M gouttes en chaque point. Traitement de données.
Laboratoire : Granulométre-vélocimétre LASER (Cyril TINET)
DXEX v3
D:\2011\Albuz ATR blanche 20 & 30 bar\20 bar\ATR 80 Blanche 20b.lda
11:29:26
-20,00 mm;30,00 mm;-250,00 mm
Zone de mesure
Row# AT [ms] TT [us] LDA1 [m/s] U12 [deg] U13 [deg] D [um]
1 0,634 111,8 1,64 34,3 13,8 35,5
2 2,161 151,9 1,77 53,9 22,6 55,7
3 6,334 83,6 1,67 41,4 16,9 42,7
4 13,106 113,5 1,59 35,2 15,3 36,4
5 14,668 214,2 1,51 48,4 18,5 50
6 18,429 93 1,82 33,1 11,1 34,2
7 27,937 110,9 1,77 43,4 17,5 44,8
8 34,107 67,4 2,07 37,5 15,8 38,8
9 34,912 36,7 2,63 27,3 8,3 28,2
… … … … … …
-0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 14,5
]0;10] 0,038% 0,010% 0,010% 0,007% 0,003% 0,001% 0,07%
]10;20] 0,001% 0,423% 0,193% 0,092% 0,127% 0,123% 0,048% 0,016% 1,02%
]20;30] 0,003% 0,524% 1,242% 1,410% 1,663% 1,325% 0,310% 0,044% 0,006% 6,53%
]30;40] 0,624% 2,979% 5,769% 3,475% 1,505% 0,249% 0,040% 14,64%
]40;50] 0,785% 6,739% 6,997% 1,176% 0,223% 0,024% 0,005% 0,002% 15,95%
]50;60] 1,475% 11,329% 2,211% 0,144% 0,024% 0,004% 15,19%
]60;70] 3,130% 9,465% 0,438% 0,026% 0,001% 0,001% 13,06%
]70;80] 4,602% 5,215% 0,103% 0,007% 0,002% 0,001% 9,93%
]80;90] 4,469% 2,857% 0,188% 0,026% 0,009% 0,001% 0,001% 0,002% 7,55%
]90;100] 2,906% 1,978% 0,392% 0,151% 0,036% 0,011% 0,003% 0,002% 5,48%
]100;110] 1,503% 1,475% 0,576% 0,258% 0,125% 0,046% 0,017% 0,007% 4,01%
]110;120] 0,556% 0,871% 0,578% 0,364% 0,202% 0,102% 0,039% 0,021% 0,006% 0,002% 2,74%
]120;130] 0,153% 0,381% 0,364% 0,357% 0,241% 0,143% 0,064% 0,025% 0,006% 0,005% 1,74%
]130;140] 0,047% 0,112% 0,127% 0,175% 0,217% 0,150% 0,102% 0,040% 0,020% 0,007% 0,002% 0,001% 1,00%
]140;150] 0,009% 0,043% 0,038% 0,059% 0,097% 0,102% 0,102% 0,048% 0,026% 0,013% 0,004% 0,001% 0,54%
]150;160] 0,005% 0,017% 0,016% 0,018% 0,025% 0,045% 0,063% 0,047% 0,020% 0,015% 0,007% 0,002% 0,28%
]160;170] 0,002% 0,004% 0,004% 0,005% 0,010% 0,017% 0,025% 0,023% 0,026% 0,011% 0,004% 0,003% 0,13%
]170;180] 0,001% 0,002% 0,002% 0,002% 0,002% 0,004% 0,006% 0,009% 0,012% 0,009% 0,009% 0,002% 0,06%
]180;190] 0,001% 0,002% 0,002% 0,003% 0,001% 0,002% 0,004% 0,007% 0,010% 0,005% 0,001% 0,001% 0,001% 0,04%
]190;200] 0,001% 0,001% 0,001% 0,001% 0,002% 0,001% 0,002% 0,002% 0,001% 0,01%
]200;210] 0,002% 0,001% 0,002% 0,002% 0,001% 0,001% 0,002% 0,001% 0,01%
]210;220] 0,002% 0,001% 0,001% 0,001% 0,002% 0,002% 0,01%
]220;230] 0,001% 0,00%
]240;250] 0,001% 0,00%
]250;260] 0,001% 0,00%
]290;300] 0,001% 0,00%
]300;310] 0,001% 0,00%
]340;350] 0,002% 0,00%
]350;360] 0,001% 0,00%
]370;380] 0,001% 0,00%
]510;520] 0,001% 0,00%
Classe de
diametre (µm)
Vitesse (m/s)
Laboratoire : laser PDA - qques résultats
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Water
Elton
Heliosol
Sau
ter
Mea
n D
iam
eter
(m
icro
ns)
Radial position (cm)
Extérieur (liquide dans l’ air)
Buse (liquide)
Wall
Patm.
Pinj = 5 bar
Periodic faces
Maillage tridimensionnel : 1 800, 000 cellules
Modélisation physique : Francisco FELIS (thèse 14-17)
Equation de transport de la fraction massique liquide moyenne
Equations de transport pour les 3 composantes de la vitesse moyenne du mélange
Equations de transport pour les 6 composantes du tenseur de Reynolds
Equation de transport de l’aire de l’interface liquide/gaz moyenne par unité de volume
)~
(
)~( iu
)(
)( ijR
Modélisation physique : Francisco FELIS (thèse 14-17)
Les tailles et vitesses de gouttes (ou même de ligaments) sortant de la buse et se dispersant dans l’air calculées par:
Mean Liquid Mass Fraction
i
i
i
i
x
Yu
x
Yu
t
Y
~
""~~~
gl
YY
~1
~1
3/1000 mkgl 3/2.1 mkggwith and
~
Mean density
Diffusion
2)(
~
a
iii
i VaAxScxx
u
tDt
Dt
The mean liquid / gas interface density [m-1]
a
Destruction = f(s) Production
macroscopic microscopic A
By analogy with flame surface in Combustion:
NB: Prise en compte des surfactants : dernier terme de l’éq.
Exemple de comparaison mesure-calcul : vitesse axiale – buse à turbulence – z=8 mm
Hypothèse : Liquide = eau.
Mesures PDA
Modèle physique
Sau
ter
Mea
n D
iam
eter
(m
icro
ns)
Maximum value of the Sauter Mean Diameter increased by 200 microns by Break Thru addition
0
100
200
300
400
500
600
700
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
Water
Break Thru
TVI nozzle
Influence d’un surfactant sur buse TVI
Radial position (cm)
La modification du SMD par les surfactants dépend de la buse !
Break Thru addition hardly affects the SMD
z = 10 cm 0
20
40
60
80
100
120
140
160
-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14
Water
Break Thru
Radial position (cm)
Sau
ter
Mea
n D
iam
eter
(m
icro
ns)
Maximum value of the Sauter Mean Diameter increased by 200 microns by Break Thru addition
0
100
200
300
400
500
600
700
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
Water
Break Thru
TVI nozzle
ATR nozzle
TRAVAUX EN COURS :
• Prise en compte du vent pour modéliser la dispersion (dérive). Couplage approches Eulerienne monofluide-diphasique (Francisco) et Lagrangienne-Eulerienne (Ramon SALCEDO de l’IVIA, Espagne, 3 mois en 2013 et 3 mois en 2014) • Prise en compte des caractéristiques physico-chimiques du liquide. Convention Irstea/Rhodia-Novecare/Agropolis Fondation. Collaboration L2C (UM2). Elongation d’un ligament liquide Re<<1. Effet de l’émulsion à Re>>1 (échelle spray)? En relation avec la thèse de Majid, avec Jean Paul. • Comparaison des résultats de granulo-vélocimétrie pour des buses atypiques en viti avec les résultats de dépôt sur le banc EVASPRAYVITI. Dans le cadre de l’UMT Irstea/IFV.
QUESTIONS SCIENTIFIQUES :
• Comment une population de gouttes hétérogène réagit-elle à un écoulement latéral turbulent ?
• Quelle est l’influence des conditions météorologiques sur la dérive (vent, température, hygrométrie) ?
• Quelle est l’influence des adjuvants/émulsions sur la dérive ? • Est-ce que les effets d’une émulsion à petite échelle (ligament)
sont les mêmes à grande échelle (spray)? • Est-ce que les mesures de granulo-vélocimétrie de gouttes
soumises à un écoulement concourant permettent d’estimer un potentiel de dépôt sur cibles?
• Peut on coupler les estimations de dérive des modèles physiques avec les approches de terrain ?