Mixing, transport and turbulence modulation in solid suspensions : study and modelling
Modulation de mélange, transport et turbulence dans des suspensions solides : étude et modélisation
Résumé
The transport of particles by turbulent flows is ubiquitous in nature and industry. It occurs in planet formation, plankton dynamics and combustion in engines. For the dispersion of atmospheric pollutants, traditional predictive models based on eddy diffusivity cannot accurately reproduce high concentration fluctuations, which are of primal importance for ecological and health issues. The first part of this thesis relates to the dispersion by turbulence of tracers continuously emitted from a point source. Mass fluctuations are characterized as a function of the distance from the source and of the observation scale. The combination of various physical mixing processes limits the use of fractal geometric tools. An alternative approach is proposed, allowing to interpret mass fluctuations in terms of the various regimes of pair separation in turbulent flows. The second part concerns particles with a finite and possibly large inertia, whose dispersion in velocity requires developing efficient modelling techniques. A novel numerical method is proposed to express inertial particles distribution in the position-velocity phase space. Its convergence is validated by comparison to Lagrangian measurements. This method is then used to describe the modulation of two-dimensional turbulence by large-Stokes-number heavy particles. At high inertia, the effect is found to be analogous to an effective large-scale friction. At small Stokes numbers, kinetic energy spectrum and nonlinear transfers are shown to be modified in a non-trivial way which relates to the development of instabilities at vortices boundaries.
Le transport de particules par des écoulements turbulents est un phénomène présent dans de nombreux écoulements naturels et industriels, tels que la dispersion de polluants dans l'atmosphère ou du phytoplancton et plastiques dans et à la surface des océans. Les modèles prédictifs classiques ne peuvent prévoir avec précision la formation de larges fluctuations de concentrations. La première partie de cette thèse concerne une étude de la dispersion turbulente de traceurs émis à partir d'une source ponctuelle et continue. Les fluctuations spatiales de masse sont déterminées en fonction de la distance à la source et à l'échelle d'observation. La combinaison de plusieurs phénomènes physiques à l'origine du mélange limite la validité d'une caractérisation de géométrie fractale. Une approche alternative est proposée, permettant d'interpréter les fluctuations massiques en terme des différents régimes de séparation de pair dans des écoulements turbulents. La seconde partie concerne des particules ayant une inertie finie, dont la dispersion dans l'espace des vitesses requiert de développer des techniques de modélisation adaptées. Une méthode numérique originale est proposée pour exprimer la distribution des particules dans l'espace position-vitesse. Cette méthode est ensuite utilisée pour décrire la modulation de la turbulence bi- dimensionnelle par des particules inertielles. A grand nombres de Stokes, l'effet montré est analogue à celui d'une friction effective à grande échelle. Aux petits Stokes, le spectre de l'énergie cinétique du fluide et les transferts non-linéaires sont modifiées d'une manière non triviale.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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