Mathematical model to predict the solid airborne particles concentration in occupational settings

Fallahfard, Alireza (2022). Mathematical model to predict the solid airborne particles concentration in occupational settings. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In the workplace, the contaminant exposure to airborne hazards should be evaluated due to health and safety issues. It can be done numerically or experimentally, but the numerical approach can be useful when challenging to perform experiments. The well-mixed room (WMR) model is a simple model that can predict the exposure levels to gaseous contaminants, but its use for aerosols is questionable since it omits important phenomena such as particle deposition to solid surfaces. The main objective of this master’s thesis was to determine whether or not the deposition of airborne particles is significant inside a small chamber.

To reach this objective, the standard WMR model has been modified to consider the deposition of particles by gravitational settling and Brownian and turbulent deposition. Three deposition models were also implemented in the model. The time-dependent concentrations of airborne particles were compared to experimental results. Experiments were conducted in a 0.512 m3 chamber with polystyrene particles of 1, 2, and 3 μm in diameter and two ventilation air change rates (1.4 and 3.0).

The numerical results showed that the average difference between the predicted deposition rate by the three models was less than 2%. The experimental and numerical results were compared for a particle emission period and a period without particle emission (decay period). In the emission period, the numerical results closely follow the experimental data. However, the modified WMR model overestimate significantly the experimental results in the decay period. This finding is due to an underestimation of the deposition rate in the model. According to our experimental parameters, the particle deposition is significant, but the deposition mechanisms that were considered in the model were not sufficient to predict deposition rates. The role of other removal mechanisms should be investigated.

Titre traduit

Modèle mathématique pour prédire la concentration de particules solides en suspension dans l'air en milieu professionnel

Résumé traduit

En milieu de travail, l'exposition aux contaminants présent dans l'air doit être évaluée pour des raisons de santé et de sécurité. Cette évaluation peut être effectuée numériquement ou expérimentalement, mais l'approche numérique peut être utile lorsque les expériences sont difficiles à réaliser. Le modèle « well-mixed room » (WMR) est un modèle numérique simple qui peut prédire les niveaux d'exposition aux contaminants gazeux mais son utilisation pour les aérosols est discutable car il omet des phénomènes importants tels que le dépôt des particules sur les surfaces solides. L'objectif principal de ce mémoire était de déterminer si le dépôt de particules en suspension dans l'air est significatif ou non à l'intérieur d'une petite chambre.

Pour atteindre cet objectif, le modèle standard WMR a été modifié pour prendre en compte le dépôt de particules par déposition gravitationnelle et par diffusion brownienne et turbulente. Trois modèles de dépôt ont également été implémentés dans le modèle. Les concentrations de particules en suspension dans l'air en fonction du temps ont été comparées à des résultats expérimentaux. Les expériences ont été menées dans une chambre de 0,512 m3 avec des particules de polystyrène de 1, 2 et 3 μm de diamètre et deux niveaux de changement d’air par heure (1,4 et 3,0).

Les résultats numériques ont montré que la différence moyenne entre le taux de dépôt prédit par les trois modèles était inférieure à 2 %. Les résultats expérimentaux et numériques ont été comparés pour une période d'émission de particules et une période sans émission de particules (période de décroissance). Dans la période d'émission, les résultats numériques suivent de près les données expérimentales. Cependant, le modèle WMR modifié surestime considérablement les concentrations expérimentales dans la période de décroissance. Cette constatation est due à une sous-estimation du taux de dépôt dans le modèle. Selon nos paramètres expérimentaux, le dépôt de particules est important mais les mécanismes de dépôt qui ont été pris en compte dans le modèle ne sont pas suffisants pour prédire les taux de déposition. Le rôle d'autres mécanismes de déposition devrait être étudié.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	« Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in mechanical engineering » Comprend des références bibliographiques (pages 59-64).
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Hallé, Stéphane
Codirecteur:	Codirecteur Vinches, Ludwig
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	19 mai 2022 14:51
Dernière modification:	19 mai 2022 14:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2980

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