Air Flow simulation in controlled areas

T. Deberle Flomerics, Orsay, France

Les isolateurs et les Zones à Atmosphères Contrôlées ont été développés historiquement dans le but de protéger des produits dit sensibles et des patients fragilisés de tout phénomène de contamination. Dans le domaine de la pharmacie hospitalière, la manipulation de différents produits chimiques amène à réfléchir sur les différentes méthodes de protection des manipulateurs. La contamination aéroportée est un des modes de transfert le plus difficile à étudier, car les phénomènes physiques mis en jeu sont extrêmement variés et complexes.

Depuis quelques années, le marché propose des outils mathématiques nouveaux sous la forme de logiciels 3D qui visent à modéliser les flux d’air. Pour illustrer la démarche suivie par ces logiciels, nous allons détailler les différentes étapes de l’étude d’une Z.A.C par simulation numérique.

La première étape consiste à représenter la géométrie de la zone et à y associer des conditions aux limites. Pour cela, on utilise une palette d’outils qui comprend les objets suivants : bouche de soufflage, reprise d’air, porte, etc. A l’objet défini géométriquement, on va rattacher des conditions aux limites, par exemple le débit de soufflage et la température de soufflage sur l’objet représentant un plafond soufflant. Des sources de contaminants seront mises en place à l’emplacement des émissions. Elles seront caractérisées par un terme de production (kg polluant/s) ou une concentration (kg polluant/kg air propre).

La deuxième étape va consister à découper le volume de la salle en volumes élémentaires, il s’agit de mailler le problème. La salle va être découpée en un grand nombre de parallélépipèdes dont on spécifie la taille maximale.

Vient ensuite la phase de résolution du problème. Le logiciel de simulation va résoudre les équations qui régissent l’écoulement (Équations de Navier Stokes pour calculer la structure de l’écoulement, équation de la chaleur pour calculer le champ de température associé et équation de concentration).
Les composantes de vitesse, la pression, la température et la concentration en un contaminant vont être calculées sur chaque maille, donnant accès au final à des cartes complètes des champs calculés : champ de vitesse, de pression, de température ou de concentration dans tout le volume de la salle.

La dernière étape d’une simulation numérique est en général une phase d’animation des résultats. Il est en effet possible de mettre en place une source de « fumée » dans le modèle et de visualiser dynamiquement le chemin parcourue par ces particules de « fumée ». Ceci permet de connaître précisément le cheminement d’un contaminant dans l’espace, et de visualiser d’éventuelles zones de recirculation.
Ces techniques de visualisation permettent de bien appréhender la structure de l’écoulement et d’identifier les zones à risque.

C’est à travers deux exemples issus de la pharmacie, que sera présenté l’intérêt du recours à la simulation pour prédire la contamination chimique du manipulateur.

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