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Captation des particules fines dans une station de métro

En quelques mots

EOLIOS a réalisé une étude CFD dans une gare de métro à Paris dans le but d’évaluer l’efficacité de capteurs de particules fines disposés sur les quais.

Air & Vent

Captation des particules fines dans une station de métro

Année

2023

Client

SNCF - TRAPAPART

Localisation

France/Paris

Typologie

Air & Vent

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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 Metro / 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 l’air 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 d’entre elles viennent directement se déposer dans les alvéoles pulmonaires. De plus, la composition des particules fines observées en milieu ferroviaire est bien différente de celle de l’air extérieur, avec des concentrations élevées d’éléments métalliques, notamment de fer, ainsi que de carbone élémentaire et organique. Spécifique à l’activité ferroviaire souterraine, cette pollution est causée par l’usure des matériaux due au freinage des trains, par le frottement entre les roues et les rails, et par la remise en suspension de poussières due au déplacement des trains.

Les données épidémiologiques et toxicologiques suggèrent qu’il pourrait y avoir des impacts cardiorespiratoires graves, compte tenu des conséquences biologiques observées en termes d’inflammations, de stress oxydant et d’activité cardio-vasculaire chez les travailleurs en charge de la maintenance de ce genre d’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 des actions en ce sens telles que notamment l’étude et l’amélioration de la ventilation dans ces milieux.

Étude sur la pollution dans les transports en commun : focus sur les particules générées par l'exploitation ferroviaire

Ainsi, 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 permettent de réduire les émissions de polluants par kilomètre parcouru. Cependant, ils ne sont pas totalement exempts de pollution. En effet, l’usure des composants utilisés dans l’exploitation ferroviaire tels que les roues, les rails, le ballast, le pantographe, la caténaire ou les 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. Malheureusement, les études sur l’impact de cette pollution sont encore rares. C’est pourquoi Trapapart a lancé des travaux de recherche sur ce sujet.

La problématique des particules fines dans les espaces confinés tel que les gares de métro

Niveaux de pollution dans les espaces ferroviaires souterrains : l'effet de confinement et l'accumulation des polluants

Les niveaux de pollution dans les espaces ferroviaires souterrains sont principalement causés par leur confinement, ce qui limite le renouvellement de l’air nécessaire pour éliminer les polluants émis par les trains en exploitation. En conséquence, les stations plus anciennes sont 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 spécifiques de chaque système de transport souterrain. Ainsi des facteurs tels que le type de ventilation (naturelle, forcée, air conditionné), la profondeur de la gare (les gares plus profondes sont 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 aussi influencer les niveaux de pollution sur les quais. Il est important de noter que les matériaux utilisés dans la construction des gares, des infrastructures ferroviaires et du matériel roulant, soumis à l’usure et à l’abrasion, peuvent contribuer à la variabilité des particules polluantes.

Etude de systèmes passifs permettant la captation des particules fines

Travaux de recherche sur l'impact de la pollution dans les transports en commun : l'initiative de Trapapart

Les pièges TrapAparT permettent de réduire l’exposition des populations aux particules fines nocives en équipant des zones ciblées, telles que grands axes urbains et gares ferroviaires souterraines (métro), présentant des niveaux de pollution très supérieurs aux seuils préconisés par l’OMS dans des lieux à fortes concentrations humaines.

Dispositifs TrapAparT : un média breveté pour piéger les particules fines dans les zones urbaines à forte concentration humaine

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

Ainsi l’objectif principal de cette 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 ces dispositifs installés sur les quais parviennent efficacement à capter les particules fines présentes dans l’atmosphère. Ce projet revêt une grande importance, car il vise à maîtriser les phénomènes aérauliques spécifiques qui se produisent sur le quai de la gare. Pour ce faire, l’étude se concentrera sur l’application de la modélisation CFD pour explorer en détail les principes aérauliques inhérents à l’écoulement d’air généré par le passage des métros.

Audit sur site : mesure des vitesses d'air et des particules fines dans une station de métro

Audit des mouvements d'air et de la concentration de particules fines lors de l'arrivée des métros dans la gare

L’objectif de l’audit est de mener une série de mesures pour étudier les mouvements d’air associés à l’arrivée des métros dans la gare. En parallèle, il vise à évaluer la concentration de particules fines dans l’air. Ces relevés seront réalisés exclusivement sur les quais et dans la zone technique du quai.

Analyse des vitesses du courant d'air dans les gares souterraines : étude sur l'effet du passage des trains sur l'écoulement d'air

Les ingénieurs EOLIOS ont observés que les vitesses du courant d’air varient en fonction de 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. De plus, la réduction de la vitesse de l’air lors du passage du train dépend de la direction du déplacement du train (arrivée ou départ du quai) et de la durée du passage. A noté que les mesures, effectuées près du quai dans la zone d’intervention, ont entraîné des ralentissements significatifs des trains pour des raisons de sécurité, provoquant ainsi des différences par rapport aux conditions habituelles de circulation.

Simulation CFD des effets de mouvement d'air pour des trains entrant dans une station de métro

Modélisation CFD de la station de métro et des trains

La Mécanique des Fluides Numériques (MFN) ou Computational Fluid Dynamics (CFD) est une méthode numérique utilisée pour étudier les écoulements de fluides dans des environnements donnés. Elle permet de résoudre numériquement des équations complexes qui régissent ces écoulements, étant donné qu’elles ne peuvent pas être résolues analytiquement. En appliquant la CFD aux bâtiments, on peut obtenir des informations cruciales sur les vitesses de l’air, les pressions, et les températures à l’intérieur et autour des espaces de construction. Cela aide les concepteurs à optimiser la ventilation et la climatisation, en tenant compte des facteurs tels que la structure du bâtiment, les gains de chaleur internes et les systèmes de climatisation, afin d’assurer un confort optimal.

Pour résoudre les équations aux dérivées partielles, il faut définir les conditions aux limites du calcul. Celles-ci sont établies en fonction des mesures sur site et des informations fournies par la maîtrise d’œuvre. Les conditions aux limites déterminent notamment le type de parois, les flux (entrée ou sortie unidirectionnelle), les paramètres de vitesse, débit ou pression statique moyenne, ainsi que les coefficients de surface si nécessaires pour simuler les transferts de chaleur.

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

Le modèle 3D de la gare a été élaboré en utilisant les plans fournis, il reprend la géométrie simplifiée du site et de son environnement. Pour garantir la précision des mesures, 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.

De plus, afin d’étudier l’impact du passage du métro sur la thermoaéraulique de la gare, un modèle 3D spécifique du train de métro a été créé. Cette approche permet d’explorer de manière approfondie les interactions entre le train et l’environnement de la gare, contribuant ainsi à une meilleure compréhension des phénomènes thermiques et aérauliques dans cet espace.

Etude CFD des mouvements d'air dans la station de métro

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

En mouvement, le train induit une traînée à l’arrière. Lorsqu’un train se déplace, il engendre une zone de surpression à l’avant et une zone de dépression à l’arrière. Cela entraîne un flux d’air depuis les côtés du train vers l’arrière pour compenser la dépression, augmentant ainsi 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 que le train est en gare, en particulier à la tête du train. La différence de pression à la tête du train entraîne un flux d’air à travers les médias, bien que ce delta de pression soit de courte durée.

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Modélisation CFD des vitesses d'air pour un train entrant en gare

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

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Modélisation CFD des effets de vorticité pour un train entrant en gare

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

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