Finite size particles suspensions in a turbulent flow: dynamic, flow modifications and collectives effects
Suspensions turbulentes de particules de tailles finies : dynamique, modifications de l’écoulement et effets collectifs
Résumé
The evolution of plankton in the ocean, the mixing and deposition of sediments in rivers or the manufacture of some food products imply the transport of finite-size, neutrally buoyant material particles by a turbulent flow. Despite the numerous natural and industrial processes where they appear, the dynamics of such particles is still not fully understood. In particular, there is no acceptable model either for their motion or for the manner with which they perturb the carrier flow. The numerical and experimental work of this thesis contribute to a better understanding of such aspects. A first part is dedicated to study numerically the dynamics of isolated spherical particles. I have developed analysis tools that allowed me to quantify their relative motion to the fluid and their local influence on the turbulent flow. A second part concerns the collective effects of a large number of particles onto turbulence. For that, I have performed experimental particle-tracking measurements in a von Kármán flow seeded with various particles volume fractions. The main result is a tendency for the particles to attenuate the amplitude of turbulent fluctuations. At variance, the particles have no influence on the fine statistical properties of the flow. Also, these measurements suggest the large scales of the flow undergo a phase transition at volume fractions above a critical threshold.
L’évolution du plancton dans les océans, le mélange et la déposition de sédiments dans les cours d’eau ou encore la fabrication de certains produits agroalimentaires impliquent le transport de particules matérielles de taille finie et de flottabilité nulle par un écoulement turbulent. Malgré les nombreux processus naturels et industriels où elles interviennent, la dynamique de telles particules reste à ce jour mal comprise. En particulier, il n’existe pas de modèle adéquat pour leur mouvement ou la façon dont elles perturbent le fluide porteur. Les travaux numériques et expérimentaux de cette thèse contribuent à une meilleure compréhension de tels aspects. Un premier volet est consacré à l’étude numérique de la dynamique de particules sphériques isolées. J’ai notamment développé des outils d’analyse qui m’ont permis de quantifier leur mouvement relatif au fluide ainsi que leur influence locale sur l’écoulement turbulent. Un second volet porte sur les effets collectifs d’un grand nombre de grosses particules sur la turbulence. Pour cela j’ai effectué des mesures expérimentales par suivi lagrangien dans un écoulement de von Kármán ensemencé avec différentes fractions volumiques de particules. Le résultat principal est que les particules ont tendance à atténuer l’amplitude des fluctuations turbulentes. En revanche, celles-ci n’ont pas d’influence sur les propriétés statistiques fines de l’écoulement. Aussi, ces mesures suggèrent l’existence d’une transition de phase dans les grandes échelles de l’écoulement pour des fractions volumiques de particules au delà d’un seuil critique.
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