Numerical study and modelling of turbulence modulation in a particle laden slab flow
Etude numérique et modélisation de la modulation de la turbulence dans un écoulement de nappe chargée en particules
Résumé
This work is devoted to the numerical and theoretical study of turbulence modulation by particles using direct numerical simulation for the continuous phase coupled with a Lagrangian prediction of trajectories of discrete particles. The configuration corresponds to a slab of particles injected at high velocity into an isotropic decaying turbulence. The motion of a particle is supposed to be governed only by the drag force. The particle mass loading is large so that momentum exchange between particles and fluid results in a significant modulation of the turbulence. Collisions are neglected. The momentum transfer between particles and gas causes a strong acceleration of the gas in the slab. In the periphery of the slab, the turbulence is enhanced due to the production by the mean gas velocity gradients. The analysis of the interphase transfer terms in the gas turbulent kinetic energy equation shows that the direct effect of the particules is to damp the turbulence in the core of the slab but to enhance it in the periphery. This last effect is due to a strong correlation between the particle distribution and the instantaneous gas velocity. Another issue concerns the k-epsilon model and the validity of its closure assumptions in two-pahse flows. A new eddy viscosity exporession, function of particle parameters, is used to model the Reynolds stress tensor. The modelling of the gas turbulent dissipation rate is questionned. A two-phase Langevin equation is also tested to model drift velocity and fluid-particles velocity covariance equations.
Ce travail de thèse est consacré à l'étude numérique et théorique de la modulation de la turbulence par des particules. Cette étude s'appuie sur des résultats issus de simulations de type Euler/Lagrange qui résolvent directement les équations instantanées de la phase gazeuse et effectuent un suivi de trajectoires des particules. La configuration étudiée représente une nappe de particules injectées à haute vitesse dans une turbulence homogène isotrope décroissante. Le mouvement des particules est supposé uniquement gouverné par la force de traînée visqueuse. Le chargement en particules est suffisamment important pour que les particules influent sur la phase gazeuse (couplage inverse) mais suffisamment faible pour pouvoir négliger les collisions interparticulaires. Une analyse des équations de transport des principales grandeurs moyennes de l'écoulement est menée pour déterminer les effets directs et indirects des particules sur la turbulence fluide. L'étude des transferts d'énergie entre phases montre que la présence des particules tend à détruire la turbulence gazeuse au centre de la nappe et à l'augmenter à la périphérie. Ce dernier effet est causé par la forte corrélation entre la distribution de particules et la vitesse instantanée du gaz. Le modèle k-epsilon est ensuite étudié et la validité de ses hypothèses de fermeture en écoulement diphasique est éprouvée à l'aide de tests a priori. une nouvelle formulation de type viscosité turbulente, fonction des paramètres diphasiques, est utilisée pour modéliser le tenseur de Reynolds du gaz. Une équation de Langevin diphasique est également testée pour modéliser les équations de vitesse de dérive et de covariance des fluctuations de vitesse fluide-particules.
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