Transport and deposition of inertial particles in a fracture with periodic corrugation
Transport et déposition des particules inertielles dans une fracture à rugosité périodique
Résumé
It is well-known that inertial particles tend to focus on preferential trajectories in periodic flows. The goal of this thesis was to study the joint effect of particle focusing and sedimentation on their transport through a model 2D fracture with a periodic corrugation. First, single-phase flow though the fracture has been considered: the classical results of the inertial lubrication theory are revisited in order to include asymmetric fracture geometries. Cubic corrections to Darcy's law have been found analytically and expressed in terms of two geometric factors, describing channel geometry. For weakly-inertial particles in a horizontal channel it has been shown that, when inertia is strong enough to balance out the gravity forces, particles focus to some attracting trajectory inside the channel. The full trapping diagram is obtained, that predicts the existence of such attracting trajectory regime depending on the Froude number and on geometric factors. Numerical simulations confirm the asymptotic results for particles with small response times. The influence of the lift force on particle migration has also been studied. In a vertical channel the lift is induced by gravity and leads to complex trapping diagrams. In the absence of gravity the lift is caused by inertial lead/lag of particles and can lead to chaotic particle dynamics. Finally, for dust particles in a vortex pair it has been shown that particles can be trapped into one or two equilibrium points in a reference frame rotating with the vortices. A full trapping diagram has been obtained, showing that any pair of vortices can trap particles, independently of their strength ratio and the direction of rotation.
Il est bien connu que les particules inertielles dans un écoulement périodique ont tendance à se focaliser sur des trajectoires privilégiées. Le but de ce travail de thèse est d'étudier l'influence de cette focalisation sur le transport et la sédimentation de particules dans une fracture plane à rugosité périodique. Tout d'abord, un écoulement monophasique dans une fracture est analysé asymptotiquement dans le cas de faible rugosité. Les résultats classiques de la théorie de la lubrification inertielle sont généralisés au cas de fractures avec des parois asymétriques. Les corrections non linéaires à la loi de Darcy sont calculées explicitement en fonction des facteurs géométriques de la fracture. Le transport de particules dans une fracture horizontal est étudié asymptotiquement dans le cas de particules de faible inertie. Les particules se focalisent sur une trajectoire attractrice, si le débit d'écoulement est assez fort par rapport à la gravité. Un diagramme complet de focalisation a été obtenu, qui prédit l'existence de l'attracteur en fonction du nombre de Froude et des facteurs géométriques de la fracture. Les paramètres quantitatifs du transport ont été calculés également. L'influence de la force de portance sur la migration de particules a été étudiée également. Dans un canal vertical, la portance (provoquée par la gravité) modifie le nombre d'attracteurs et leurs positions. En absence de gravité, la portance peut provoquer une dynamique chaotique des particules. En outre, le captage des particules par une paire de tourbillons a été étudié. Le diagramme d'accumulation obtenu démontre que toute paire de tourbillons peut être un piège à particules.
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