On Particles Laden Airflows Around Moving Parts : Appication To Close Capture Exhaust Systems For Machining Tools
Étude des écoulements d'air et de particules au voisinage de pièces en mouvement :
application à la conception des captages sur machines tournantes réalisant des opérations d'usinage
Résumé
The aim of this work is to contribute to the development of a new design method for close capture exhaust systems for machining pollutants, based on the numerical simulation of particles-laden airflows induced by rotating tools.
Firstly, using numerical experiments and bibliography, we demonstrate the feasibility and interest of using large eddy simulation, coarsely resolved in the near-wall region (or VLES standing for Very Large Eddy Simulation), coupled with lagrangian tracking of particles, to model machining induced two-phase flows, and accurately reproduce particles-turbulence interaction.
Secondly, we definitively validate the selected models using the extensive experimental data collected on an original test-rig, recreating a pseudo machining operation. In this experimental device, a stable particle stream with a controlled flow rate is obtained by pushing spherical glass particles in a pipe against a rotating cylinder. The jet of particles in the test-rig is characterized using phase Doppler particles analyser (PDPA), and the airflow properties are measured thanks to particle image velocimetry (PIV), this last technique requiring the development of a specific code in order to discriminate the two phases involved.
The comparison between measurements and simulations opens new prospects concerning the industrial use of large eddy simulation applied to multiphase flows.
Firstly, using numerical experiments and bibliography, we demonstrate the feasibility and interest of using large eddy simulation, coarsely resolved in the near-wall region (or VLES standing for Very Large Eddy Simulation), coupled with lagrangian tracking of particles, to model machining induced two-phase flows, and accurately reproduce particles-turbulence interaction.
Secondly, we definitively validate the selected models using the extensive experimental data collected on an original test-rig, recreating a pseudo machining operation. In this experimental device, a stable particle stream with a controlled flow rate is obtained by pushing spherical glass particles in a pipe against a rotating cylinder. The jet of particles in the test-rig is characterized using phase Doppler particles analyser (PDPA), and the airflow properties are measured thanks to particle image velocimetry (PIV), this last technique requiring the development of a specific code in order to discriminate the two phases involved.
The comparison between measurements and simulations opens new prospects concerning the industrial use of large eddy simulation applied to multiphase flows.
L'objectif de recherche développé dans cette thèse est d'initier une méthode de conception des dispositifs de captage des polluants d'usinage basée sur la prédiction par simulation numérique des écoulements d'air et de particules induits par les machines tournantes.
La recherche des modèles numériques les mieux adaptés aux écoulements rencontrés s'est conduite en deux étapes. Sur la base de recherches bibliographiques et d'expérimentations numériques, la première étape démontre l'intérêt et la faisabilité de la simulation des grandes échelles sous-résolue en paroi (ou VLES pour Very Large Eddy Simulation), couplée au suivi lagrangien de particules, pour modéliser les écoulements diphasiques d'usinage, et rendre compte finement de l'interaction particules-turbulence.
Dans la seconde étape, une importante campagne expérimentale, menée sur un banc d'essai original représentatif d'une opération d'usinage, sert de base pour valider définitivement les modèles retenus. Dans le dispositif réalisé, un jet de particules stable et de débit contrôlé est créé en poussant dans une buse des microbilles de verres sphériques contre un cylindre en rotation. L'écoulement de la phase particulaire dans le banc d'essai est caractérisé par analyseur de particules phase Doppler (PDPA), et le champ de vitesse de la phase gazeuse par vélocimétrie par image de particules (PIV), cette dernière technique nécessitant le développement d'un code spécifique pour discriminer les phases en présence.
La comparaison des mesures et des résultats de simulation ouvre des perspectives nouvelles concernant l'applicabilité industrielle de la simulation des grandes échelles aux écoulements multiphasiques.
La recherche des modèles numériques les mieux adaptés aux écoulements rencontrés s'est conduite en deux étapes. Sur la base de recherches bibliographiques et d'expérimentations numériques, la première étape démontre l'intérêt et la faisabilité de la simulation des grandes échelles sous-résolue en paroi (ou VLES pour Very Large Eddy Simulation), couplée au suivi lagrangien de particules, pour modéliser les écoulements diphasiques d'usinage, et rendre compte finement de l'interaction particules-turbulence.
Dans la seconde étape, une importante campagne expérimentale, menée sur un banc d'essai original représentatif d'une opération d'usinage, sert de base pour valider définitivement les modèles retenus. Dans le dispositif réalisé, un jet de particules stable et de débit contrôlé est créé en poussant dans une buse des microbilles de verres sphériques contre un cylindre en rotation. L'écoulement de la phase particulaire dans le banc d'essai est caractérisé par analyseur de particules phase Doppler (PDPA), et le champ de vitesse de la phase gazeuse par vélocimétrie par image de particules (PIV), cette dernière technique nécessitant le développement d'un code spécifique pour discriminer les phases en présence.
La comparaison des mesures et des résultats de simulation ouvre des perspectives nouvelles concernant l'applicabilité industrielle de la simulation des grandes échelles aux écoulements multiphasiques.
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