Suspensions de particules inertielles dans des écoulements turbulents
Institution:
Université Côte d'AzurDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis focuses on the dynamics of inertial particles suspended in turbulent fluid flows that are governed by the incompressible Navier-Stokes equations. Understanding the transport of these particles is important in a number of applications, such as the growth of planetesimals by accretion, the evolution of plankton in the oceans, the growth of ice crystals in clouds or the sedimentation of impurities in pipes. Despite the presence of these particles in many industrial or natural processes, their dynamics remain a poorly understood subject. The aim of this thesis is to contribute to a better understanding of certain aspects involving the transport of inertial particles in turbulent flows, using in particular the results of direct numerical simulations. It is divided into four chapters. The first is devoted to an introduction to the motivations, the numerical methods used, as well as to a review of the results already known on this topic. The second chapter deals with the generalization of the phenomenon of turbophoresis in the case of homogeneous and isotropic flows, and therefore completes an approach mainly used for inhomogeneous flows. In particular, it is shown that despite their uniform mean, local turbulent fluctuations lead to inhomogeneities in the distribution of particles at inertial scales. Then, the third chapter is devoted to the accretion of inertial particles by a sphere embedded in a mean flow. First, it is shown that inelastic bounces of point particles on the surface of the sphere are not sufficient to lead to inelastic collapse, when they are subjected only to a viscous drag force. Secondly, the study of small particles subjected to the force of gravity, shows non-trivial accretion efficiencies, with in particular collisions observed at the back of the collector. Finally, the last chapter deals with particles of finite sizes suspended in a turbulent channel flow and subject to their viscous drag force and to a lubricating force close to the walls. A statistical study of the distribution of particles and of their collisions with the walls then improves the understanding of deposition mechanisms.
Abstract FR:
Cette thèse porte sur la dynamique de particules inertielles suspendues dans des écoulements de fluide turbulents régis par les équations de Navier-Stokes incompressibles. La compréhension du transport de ces particules est importante dans un grand nombre d’applications, comme la croissance de planétésimaux par accrétion, l'évolution du plancton dans les océans, la croissance de cristaux de glace dans les nuages ou encore la sédimentation d’impuretés dans les conduites. Malgré la présence de ces particules dans de nombreux processus industriels ou naturels, leur dynamique reste un sujet mal compris. Le but de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension de certains aspects impliquant le transport de particules inertielles dans des écoulements turbulents en utilisant notamment les résultats de simulations numériques directes. Elle est divisée en quatre chapitres. Le premier est consacré à une introduction des motivations, des méthodes numériques utilisées ainsi qu'à une revue des résultats déjà connus sur ce sujet. Le deuxième chapitre porte sur la généralisation du phénomène de turbophorèse au cas d'écoulements homogènes et isotropes, et vient donc compléter une approche essentiellement utilisée pour les écoulements inhomogènes. Il est notamment montré que malgré leur moyenne uniforme, les fluctuations turbulentes locales mènent à des inhomogénéités dans la distribution des particules aux échelles inertielles. Ensuite, le troisième chapitre se consacre à l'accrétion de particules inertielles par une sphère dans un écoulement moyen. Dans un premier temps, il est montré que des rebonds inélastiques de particules ponctuelles sur la surface de la sphère ne sont pas suffisants pour observer un effondrement inélastique si elles ne sont soumises qu'à une force de traînée visqueuse. Dans un second temps l’étude de petites particules soumises à une force de gravité montre des efficacités d'accrétion non triviales avec notamment des collisions observées à l'arrière du collecteur. Enfin, le dernier chapitre s'intéresse à des particules de taille finie suspendues dans un écoulement turbulent en canal plan, soumises à leur force de traînée visqueuse et à une force de lubrification proche des parois. Un étude statistique de la distribution de particules et de leurs collisions avec les parois permet alors d’améliorer la compréhension des mécanismes de déposition.