Captation des particules fines — Métro.

Améliorer la qualité d'air dans les espaces souterrains de voyageurs

Le danger d'une mauvaise qualité d'air dans les espaces ferroviaires souterrains (stations de métro / RER)

Depuis le début des années 2000, les mesures de qualité de l'air ont montré que, en moyenne, les concentrations de particules en suspension dans les zones ferroviaires en France sont trois fois plus élevées que dans l'air extérieur urbain. La concentration de particules mesurée dans l'air est souvent exprimée en PM10 et PM2,5.

Ces particules pénètrent dans l'appareil respiratoire, et les plus fines viennent directement se déposer dans les alvéoles pulmonaires. La composition des particules observées en milieu ferroviaire diffère nettement de celle de l'air extérieur, avec de fortes concentrations d'éléments métalliques — notamment le fer — ainsi que de carbone élémentaire et organique. Spécifique à l'activité ferroviaire souterraine, cette pollution est causée par l'usure des matériaux liée au freinage des trains, par le frottement entre les roues et les rails, et par la remise en suspension des poussières due au déplacement des rames.

Les données épidémiologiques et toxicologiques suggèrent de possibles impacts cardiorespiratoires graves, compte tenu des conséquences biologiques observées en termes d'inflammations, de stress oxydant et d'activité cardio-vasculaire chez les personnels chargés de la maintenance de ces infrastructures. Au vu de ces observations, l'ANSES confirme la nécessité de réduire la pollution en particules fines dans les zones ferroviaires souterraines, et donc de poursuivre l'étude et l'amélioration de la ventilation dans ces milieux.

Focus sur les particules générées par l'exploitation ferroviaire

La qualité de l'air est aujourd'hui une préoccupation majeure pour notre santé à l'échelle mondiale. Les transports en commun sont souvent présentés comme une alternative plus écologique, car ils réduisent les émissions de polluants par kilomètre parcouru. Ils ne sont cependant pas totalement exempts de pollution : l'usure des composants de l'exploitation ferroviaire — roues, rails, ballast, pantographe, caténaire, freins — génère des particules polluantes.

Ces particules ont tendance à s'accumuler davantage dans les enceintes ferroviaires souterraines en raison de l'effet de confinement. Les études sur l'impact de cette pollution restent rares ; c'est pourquoi TrapAparT a lancé des travaux de recherche sur ce sujet.

La problématique des particules fines dans les espaces confinés

L'effet de confinement et l'accumulation des polluants

Les niveaux de pollution dans les espaces ferroviaires souterrains sont principalement causés par leur confinement, qui limite le renouvellement de l'air nécessaire pour éliminer les polluants émis par les trains en exploitation. Les stations les plus anciennes sont ainsi plus susceptibles d'accumuler des particules de pollution à l'intérieur.

L'impact de la pollution de l'air extérieur sur celle des gares souterraines n'est pas clairement défini ; il dépend en grande partie des caractéristiques architecturales propres à chaque système de transport souterrain. Des facteurs tels que le type de ventilation (naturelle, forcée, air conditionné), la profondeur de la gare — les gares plus profondes étant moins sensibles aux variations de la qualité de l'air extérieur — et le nombre d'accès jouent un rôle essentiel.

Les variations saisonnières de la météo semblent également influencer les niveaux de pollution sur les quais. Les matériaux utilisés dans la construction des gares, des infrastructures ferroviaires et du matériel roulant, soumis à l'usure et à l'abrasion, peuvent aussi contribuer à la variabilité des particules polluantes.

Étude de systèmes passifs de captation des particules fines

L'initiative de recherche TrapAparT

Les pièges TrapAparT permettent de réduire l'exposition des populations aux particules fines nocives, en équipant des zones ciblées — grands axes urbains et gares ferroviaires souterraines (métro) — qui présentent des niveaux de pollution très supérieurs aux seuils préconisés par l'OMS dans des lieux à forte concentration humaine.

Un média breveté pour piéger les particules fines

Le cœur du dispositif est constitué d'un média adsorbant breveté par TrapAparT, capable de piéger les particules fines par simple mise en contact, grâce aux seuls flux naturels de l'air (vent et turbulences générées par les véhicules). Le média est régénéré par un simple lavage à l'eau, à une fréquence de l'ordre du mois ; l'eau de lavage est récupérée et les polluants qu'elle contient sont éliminés.

L'objectif principal de l'étude menée par les ingénieurs d'EOLIOS est d'analyser les vitesses et les trajectoires de l'air à l'intérieur de la gare, afin de déterminer si les dispositifs installés sur les quais parviennent à capter efficacement les particules fines présentes dans l'atmosphère. Le projet vise à maîtriser les phénomènes aérauliques spécifiques qui se produisent sur le quai, en s'appuyant sur la modélisation CFD pour explorer en détail l'écoulement d'air généré par le passage des métros.

Audit sur site : mesure des vitesses d'air et des particules fines

Mouvements d'air et concentration de particules à l'arrivée des métros

L'audit consiste à mener une série de mesures pour étudier les mouvements d'air associés à l'arrivée des métros dans la gare, tout en évaluant la concentration de particules fines dans l'air. Ces relevés sont réalisés exclusivement sur les quais et dans la zone technique du quai.

Analyse des vitesses du courant d'air : l'effet du passage des trains

Les ingénieurs EOLIOS ont observé que les vitesses du courant d'air varient selon la direction du train, avec des amplitudes maximales plus faibles lorsque le train circule sur le quai opposé. Ces vitesses sont influencées par des facteurs tels que le temps de freinage et la puissance du train. La réduction de la vitesse de l'air lors du passage dépend en outre de la direction du déplacement (arrivée ou départ du quai) et de la durée du passage. À noter que les mesures, effectuées près du quai dans la zone d'intervention, ont nécessité des ralentissements significatifs des trains pour des raisons de sécurité, provoquant des écarts par rapport aux conditions habituelles de circulation.

Simulation CFD des trains entrant en station

Modélisation CFD de la station de métro et des trains

La Mécanique des Fluides Numérique (MFN), ou Computational Fluid Dynamics (CFD), est une méthode numérique utilisée pour étudier les écoulements de fluides dans un environnement donné. Elle résout numériquement des équations complexes qui régissent ces écoulements et ne peuvent pas l'être analytiquement. Appliquée aux bâtiments, elle fournit des informations cruciales sur les vitesses de l'air, les pressions et les températures à l'intérieur et autour des espaces construits, et aide les concepteurs à optimiser la ventilation et la climatisation.

Pour résoudre ces équations aux dérivées partielles, il faut définir les conditions aux limites du calcul. Celles-ci sont établies à partir des mesures sur site et des informations fournies par la maîtrise d'œuvre : type de parois, flux (entrée ou sortie unidirectionnelle), paramètres de vitesse, débit ou pression statique moyenne, et coefficients de surface lorsque des transferts de chaleur doivent être simulés.

Le maillage du modèle, composé d'environ 10 millions d'éléments fluides structurés orthogonaux avec un raffinement dans les zones clés, est essentiel à la précision de l'étude, mais peut entraîner de longs temps de calcul.

Le modèle 3D de la gare a été élaboré à partir des plans fournis ; il reprend la géométrie simplifiée du site et de son environnement. Pour garantir la précision des résultats, les tunnels de part et d'autre de la gare ont été inclus dans la modélisation avec une longueur suffisante pour éviter toute influence des conditions limites du modèle.

Afin d'étudier l'impact du passage du métro sur la thermoaéraulique de la gare, un modèle 3D spécifique du train a également été créé. Cette approche permet d'explorer en profondeur les interactions entre le train et l'environnement de la gare, pour une meilleure compréhension des phénomènes thermiques et aérauliques de cet espace.

Étude CFD des mouvements d'air dans la station

Le passage du train génère des perturbations durables dans son sillage. Ces perturbations montrent que la vitesse de l'air suit une trajectoire tangente aux médias, ce qui peut être avantageux compte tenu de leurs caractéristiques.

En mouvement, le train induit une traînée à l'arrière : il engendre une zone de surpression à l'avant et une zone de dépression à l'arrière. Un flux d'air s'établit alors depuis les côtés du train vers l'arrière pour compenser la dépression, augmentant la vitesse de l'air à l'arrière par rapport à l'air statique.

Les plans de pression illustrent la propagation de l'onde de pression due à l'approche du train. L'écoulement initial se fait de gauche à droite, puis s'inverse une fois le train en gare, en particulier à la tête du train. Cette différence de pression entraîne un flux d'air à travers les médias, bien que ce delta de pression soit de courte durée.

La vorticité est un champ de pseudo-vecteurs qui décrit le mouvement de rotation local d'un milieu. Elle permet d'identifier visuellement les zones où la turbulence est intense. Les schémas de vorticité révèlent que les régions proches des médias connaissent des perturbations, en particulier après le passage du train.

Des études complémentaires ont permis de définir précisément les niveaux de performance des systèmes de captation. Des solutions d'optimisation, telles que le développement de déflecteurs, ont permis d'améliorer les performances de captation des particules fines.

EOLIOS est ainsi capable de traiter des cas de dégagement de particules fines et d'accompagner les industriels dans l'optimisation de leurs installations et le dimensionnement de prototypes.

Poursuivre sur la dispersion des particules fines en gares souterraines

Pour aller plus loin sur le sujet, nous recommandons la lecture de la thèse « Dispersion des particules issues du freinage des trains en stations souterraines », par Antoine Durand.