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 ?