L'OBJET DE NOTRE ETUDE PRELIMINAIRE D'UN ECOULEMENT GAZEUX TURBULENT, DANS LE CAS UNIDIMENSIONNEL, EST DE DECRIRE LES EFFETS DE CERTAINS PARAMETRES D'INERTIE ET L'INFLUENCE DE LA NON-LINEARITE DE TRAINEE SUR LE COMPORTEMENT DES PARTICULES EN SUSPENSION DANS UN ECOULEMENT GAZEUX TURBULENT. CECI A ETE REALISE EN UTILISANT DEUX SORTES DE METHODES, UNE SIMULATION DIRECTE SIMPLIFIEE ET UNE TECHNIQUE CLASSIQUE DU SUIVI LAGRANGIEN. LES MODIFICATIONS SUBIES PAR LES STRUCTURES TURBULENTES DU FAIT DE LA PRESENCE DES PARTICULES SONT IGNOREES. LES NOMBRES DE REYNOLDS RELATIFS MOYENS, EXAMINES ICI, S'ECHELONNENT ENTRE 1 ET 2000. DANS CETTE GAMME DE NOMBRES DE REYNOLDS, L'EFFET SIGNIFICATIF D'UNE TRAINEE NON LINEAIRE PEUT ETRE OBSERVE PAR COMPARAISON DE NOS RESULTATS AVEC CEUX OBTENUS EN LINEARISANT LA TRAINEE ET EN APPLIQUANT LA THEORIE DE TCHEN. DANS LE CAS TRIDIMENSIONNEL, NOUS NOUS SOMMES INTERESSES A L'ETUDE DES EFFETS D'INERTIE DE LA PARTICULE ET DU CHAMP DE FORCES EXTERIEURES COMME LA PESANTEUR SUR LES FLUCTUATIONS DE VITESSE D'UNE PARTICULE DANS UN CHAMP D'ECOULEMENT TRIDIMENSIONNEL. PAR CONSEQUENT, L'EFFET DE LA COMPOSANTE TRANSVERSALE DE TRAINEE A ETE ETUDIE ET IL A ETE MONTRE QUE LA GRAVITE ET L'INERTIE OCCASIONNENT UNE ANISOTROPIE DANS LE MOUVEMENT DES PARTICULES. L'INFLUENCE D'UN GRADIENT DE VITESSE MOYENNE DU FLUIDE SUR LES VARIANCES DES FLUCTUATIONS DE VITESSE LONGITUDINALE ET TRANSVERSALES EST EXAMINE EN PRESENCE OU NON D'UNE FORCE DE PORTANCE DUE AU CISAILLEMENT DE L'ECOULEMENT. CETTE SIMULATION NUMERIQUE PERMET UNE BONNE COMPREHENSION DES EFFETS INERTIELS SUR LE COMPORTEMENT DE PARTICULES EN SUSPENSION DANS UN ECOULEMENT GAZEUX TURBULENT
Le comportement de particules solides dans un écoulement turbulent de gaz en canal est étudié par le biais de simulations numériques directes. La description mixte eulerienne et lagrangienne permet d'aborder la dispersion de petites particules solides à travers le calcul des temps intégraux de la turbulence v́ue ́le long de leurs trajectoires. Ces temps intégraux sont comparés aux estimations basées sur une corrélation semi-empirique issue de calculs directs dans le cas d'une turbulence homogène et isotrope. La comparaison révèle l'impossibilité d'utiliser la corrélation pour prédire la dispersion dans le sens de l'écoulement. Après ces considérations sur la dispersion, l'effet d'atténuation de ces mêmes particules solides sur la turbulence est aussi caractérisé. Les forces prises en compte sur les particules sont au moins la traînée non linéaire et la force de portance de Saffman toutes deux corrigées en proche paroi et utilisant une interpolation tridimensionnelle hermitienne.
INTRODUCTION DANS LES FORMULES DU TRANSPORT DES MATERIAUX SOLIDES D'UN PARAMETRE TENANT COMPTE DE LA TURBULENCE ARTIFICIELLE (DUE A UN RESSAUT, PAR EXEMPLE), EN DEFINISSANT POUR CELLE-CI UN PARAMETRE SIMPLE, FACILE A DETERMINER EXPERIMENTALEMENT POUR N'IMPORTE QUELLE STRUCTURE DE TURBULENCE ARTIFICIELLE ET SUSCEPTIBLE DE TRADUIRE L'INFLUENCE DE CETTE TURBULENCE ARTIFICIELLE. DEUX PARAMETRES SUSCEPTIBLES DE REPONDRE A CES CONDITIONS SONT ETUDIES. ETUDE NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE DE L'INFLUENCE DE LA TURBULENCE SUR LA VITESSE DE CHUTE D'UNE PARTICULE ET, A L'AIDE D'UN MODELE MATHEMATIQUE SIMPLE, DE L'INFLUENCE DES FLUCTUATIONS DES FORCES SUR LA MISE EN MOUVEMENT DES PARTICULES
Ce travail de thèse fait partie intégrante de l'ANR PLAYER (début janvier 2012), projet visant à étendre les simulations d'écoulements gaz-particules à des particules non-sphériques ayant une inertie couvrant une large gamme. Les avancées de cette ANR portent notamment sur la détermination des forces et couples élémentaires sur de tels objets avec la question du nombre de degrés de liberté supplémentaires à prendre en compte, l'impact de la forme et de l'effet d'inertie ainsi que l'influence d'une force extérieure telle que la gravité sur les interactions particule-turbulence. Dans ce cadre, l'objectif de ce travail de thèse est d'étudier finement la dispersion de particules non-sphériques rigides dans un écoulement turbulent à l'échelle mésocospique (il est supposé que les particules sont des points matériels). Pour ce faire, un suivi lagrangien de particules ellipsoïdales couplé à un code de simulation numérique directe d'un écoulement turbulent de canal a été utilisé. Cette méthode nécessite alors une bonne estimation des forces et couples hydrodynamiques agissant sur ce type de particules, ainsi qu'un couplage des équations du mouvement de translation et de rotation. En se basant sur les résultats obtenus par une simulation numérique directe résolue à l'échelle de la particule (Ansys Fluent, body-fitted method), nous avons établi, dans un premier temps, des corrélations pour les coefficients hydrodynamiques (traînée, portance, couple de tangage) dépendant du nombre de Reynolds particulaire, de la forme, et de l'orientation des particules. L'originalité de ce travail réside en la validité de ces corrélations pour des gammes étendues de facteurs de forme (rapport entre la longueur et la largeur de la particule w ∈ [0,2-32] et de Reynolds particulaires Rep ∈ [1-240]. Ces corrélations ainsi que les équations du mouvement de rotation ont été ensuite intégrées dans le code « maison » de simulation numérique directe d'un écoulement turbulent gaz-solide à l'échelle mésocospique. Après avoir validé ce code à travers différents cas tests, nous avons étudié la dispersion de différentes particules ellipsoïdales dans un écoulement de canal turbulent pour un nombre de Reynolds modéré. Trois principaux effets sont à l'étude : l'effet de forme, l'effet d'inertie et l'effet du croisement de trajectoires.
Ce travail numérique est une contribution à l'étude de la qualité de l'air liée à la présence de polluants particulaires dans les locaux. Après l'analyse physique des interactions subies par les particules injectées dans un écoulement fluide, nous avons développé un outil numérique permettant de simuler le comportement des particules dans les écoulements faiblement turbulents typiques du bâtiment, en faisant l'hypothèse que les particules n'influencent pas l'écoulement et que les interactions particule - particule peuvent être négligées. La dispersion des particules dans le fluide en écoulement est résolue par une approche lagrangienne qui consiste à simuler un certain nombre de trajectoires à partir desquelles les grandeurs moyennes caractérisant le comportement des particules sont ensuite obtenues statistiquement. Pour cela, les vitesses instantanées du fluide sont obtenues par tirages aléatoires, à partir des champs moyens de l'écoulement et des corrélations spatiales et temporelles. A ce stade du travail, nous avons testé plusieurs modèles de prédiction des caractéristiques instantanées du fluide, et nous avons retenu celui qui semblait le plus approprié à la modélisation des configurations qui nous intéressent. Pour la construction de la trajectoire d'une particule discrète on résout la relation dynamique établie à partir du bilan des forces agissant sur la particule. Les résultats obtenus dans le cas d'une turbulence de grille sont comparés à des résultats expérimentaux. Nous avons également étudié l'influence de la précision de la prédiction des caractéristiques turbulentes de l'écoulement sur la dispersion des particules, ainsi que la capacité des modèles de turbulence basés sur une décomposition en moyennes temporelles à résoudre correctement les écoulements turbulents. Finalement, le modèle de dispersion des particules a été utilisé pour caractériser la déposition de particules sur les parois dans un écoulement turbulent confiné correspondant à la configuration d'une cavité agitée.
NOTRE ETUDE PORTE SUR LA CARACTERISATION D'UN JET D'AIR TURBULENT CHARGE DE PARTICULES OU DE GOUTTELETTES. ELLE SE PLACE DANS LE CADRE D'UNE COOPERATION ENTRE LE CEMAGREF ET DES PARTENAIRES INDUSTRIELS. LE BUT ULTIME DE L'ETUDE EST LE TRANSFERT VERS CES PARTENAIRE INDUSTRIELS DU MAXIMUM DE CONNAISSANCES UTILISABLES POUR LE DEVELOPPEMENT ET L'AMELIORATION DE SES PRODUITS. EN CE SENS, L'ETUDE SE VEUT LA PLUS COMPLETE POSSIBLE. NOUS AVONS EGALEMENT LE SOUCIS DE PRODUIRE DES RESULTATS APPLICABLES ET D'UTILISER ET DE DEVELOPPER DES TECHNIQUES D'ETUDE SUSCEPTIBLES D'ETRE ADOPTEES PAR LES PARTENAIRES A L'ISSUE DE NOTRE COLLABORATION. NOTRE ETUDE PORTE SUR LA DYNAMIQUE PURE DE L'ECOULEMENT. DE PLUS, NOUS NOUS INTERESSONS A UN MODELE REDUIT ET SIMPLIFIE DES PRODUITS DE NOS PARTENAIRES QUI OFFRE DES DEBITS, ET DONC UNE PORTEE, PLUS FAIBLES, CE QUI PERMET LE MONTAGE D'UNE INSTALLATION EXPERIMENTALE EN LABORATOIRE OU ON CONTROLE PARFAITEMENT L'ENVIRONNEMENT DANS LEQUEL LE JET FONCTIONNE. CE MEMOIRE CONSISTE EN TROIS PARTIES. LA PREMIERE PRESENTE LES BASES FONDAMENTALES DES PHENOMENES QUI ENTRENT EN JEU DANS LES ECOULEMENTS TURBULENTS DIPHASIQUES A PHASE DISPERSEE, PUIS DRESSE UN ETAT DE L'ART SUCCINT DES CONNAISSANCES ET MOYENS D'ETUDE POUR CE TYPE D'ECOULEMENTS. LA SECONDE PARTIE DETAILLE NOTRE ETUDE EXPERIMENTALE, LES TECHNIQUES EMPLOYEES ET LES RESULTATS OBTENUS. UNE TROISIEME PARTIE PRESENTE LE TRAVAIL EFFECTUE SUR LE DEVELOPPEMENT D'UN OUTIL NUMERIQUE DE PREDICTION DE L'ECOULEMENT, NOTRE BASE DE DEPART, LES MODELES PASSES EN REVUE POUR LES DIFFERENTS PHENOMENES ET LES PREMIERS RESULTATS OBTENUS.
Ce travail est consacré à une étude théorique et expérimentale du mouvement d'une particule sphérique solide, fluide ou gazeuse relâchée dans un fluide en rotation solide verticale et à faibles nombres de Reynolds et de Taylor. A cet effet, nous avons conçu un dispositif expérimental constitué d'un cylindre tournant, rempli d'huile de silicone et dans lequel sont relâchées nos particules. Au cours de nos expériences ces dernières sont filmées avec une caméra rapide, ce qui nous permet de mesurer avec précision l'évolution temporelle de leurs coordonnées spatiales. L'analyse théorique, qui s'inscrit dans une thématique de recherche relativement ancienne, corrobore l'étude de Herron, Davis et Bretherton (1975) en ce qui concerne les particules solides, et généralise leurs résultats au cas des inclusions fluide et gazeuse: bien que les vitesses de sédimentation des particules et les vitesses de migration dans le plan horizontal soient découplées, celles-ci sont affectées par la vitesse de rotation imposée au cylindre. Par ailleurs, et conformément à l'analyse théorique de Miyazaki (1995), nous observons que le mouvement horizontal de nos particules est correctement décrit par l'équation de mouvement de Boussinesq-Basset obtenue après analyse de l'écoulement de perturbation dans un référentiel non tournant et après avoir négligé, bien que cela ne soit pas tout à fait légitime, la contribution horizontal des effets d'inertie.
Cette thèse est organisée en deux parties. Après une brève introduction théorique (chapitre 1) et une discussion présentant la soufflerie du LEGI et des techniques expérimentales utilisées (chapitre 2), une première partie étudie les effets individuels des particules dans les écoulements tantôt laminaires et turbulents. Dans une seconde partie je me suis intéressé aux effets collectifs d'une population dense d'inclusions en interaction avec un champ turbulent.Dans le chapitre 3, nous montrons que l'équilibre d'un disque pendulaire faisant face à un écoulement présentant une vitesse moyenne présente un comportement bi-stable et hystérétique. Nous donnons une interprétation simple de ce comportement en termes d'une description par deux puits de potentiel, nécessitant uniquement de connaître la dépendance angulaire du coefficient de trainée normale d'une plaque statique inclinée. Nous étudions l'influence de la turbulence sur l'équilibre du pendule en général et sur la bi-stabilité observée en particulier.La dynamique des objets tractés dans un environnement fluide est d'intérêt pour de nombreuses situations pratiques. Les chapitres 4,5 et 6 concernent l'étude expérimentale de l'équilibre et de la stabilité de la trajectoire d'une sphère tractée à vitesse constante. Dans le chapitre 4, nous avons vu que le sillage d'une sphère peut produire un mouvement hélicoïdal d'une sphère remorqué par un fil. Nous avons constaté qu'il existe un nombre de Reynolds (défini avec le diamètre de la particule et la vitesse moyenne de l'écoulement) particulier pour activer cette motion instable. Une trajectoire en trois dimensions est reconstruite avec un dispositif expérimental extrêmement simple, utilisé pour la caractérisation de la forme de la trajectoire des particules. Dans le chapitre 5, nous étudions expérimentalement l'équilibre et la stabilité de la trajectoire d'une sphère remorqué à une vitesse constante dans la avec un rapport longueur - diamètre sans précédent. En ce chapitre, nous étudions les instabilités développées dans le fil pour un écoulement laminaire. Diffèrent types d'instabilités ont été trouvés dans cette expérience. Dans le chapitre 6, le même système est étudié, mais l'écoulement environnant est turbulent. Nous nous concentrons sur la comparaison entre la dynamique turbulente de la sphère tractée et d'une sphère librement advectèe. Nos résultats sont en accord avec un scénario de filtrage résultant du temps de réponse visqueuse d'une particule d'inertie dont la dynamique est couplée au fluide environnant par la force de traînée. Une caractéristique frappante des écoulements turbulents chargés de particules inertielles est la concentration préférentielle qui conduit à de très fortes hétérogénéités du champ de concentration en particules à différentes échelles. Les diagrammes de Voronoi ont été utilisés pour caractériser quantifier ce phénomène.En ce qui concerne les effets collectifs, trois écoulements différents ont été étudiés : bulles d'air (particules moins denses que le fluide, avec une taille de l'ordre de l ́échelle de Kolmogorov) dans un canal a eau (chapitre 7), des particules solides légèrement plus denses que le fluide et diamètre supérieur à l ́échelle de Kolmogorov dans une écoulement de von Kármán (chapitre 8) et gouttelettes d'eau dans la soufflerie (chapitre 9) ; de particules beaucoup plus denses que le fluide et diamètre inférieur à l'échelle de Kolmogorov. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction des champs de concentration des particules dans les expériences par analogie avec le fonctionnement des caméras linéaire, et en exploitant l'hypothèse de Taylor dans la soufflerie. Cette nouvelle approche nous permet de reconstruire des champs de particules de plusieurs mètres de long. Ces champs permettent d'analyser la formation des superclusters. Nous montrons en effet que les clusters tendent eux-mêmes à s'organiser en superclusters (amas d'amas).
