Modulation of wall-bounded turbulent flows by large particles : effect of concentration, inertia, and shape

par Guiquan Wang

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Éric Climent et de Micheline Abbas.

Le président du jury était Mickaël Bourgoin.

Le jury était composé de Éric Climent, Micheline Abbas, Jeffrey F. Morris, Luca Brandt, Ivana Vinkovic, Holger Homann.

Les rapporteurs étaient Jeffrey F. Morris, Luca Brandt.

  • Titre traduit

    Modification des écoulements turbulents avec paroi, par les particules de taille finie : effet de leur concentration, forme et inertie


  • Résumé

    L’effet des inclusions sur la turbulence de l’écoulement est un élément clé à comprendre afin de maîtriser le transport de milieux dispersés, dans le domaine du génie pétrolier, environnemental, agroalimentaire, génie de la réaction chimique ou transformation du solide. Les expériences de Matas et al. (PRL, 2003) ont mis en évidence un effet non monotone des particules isodenses (de densité égale à celle du fluide) sur la transition laminaire-turbulent, cet effet dépendant de la taille des particules et de leur concentration dans la suspension. Une petite quantité de particules de taille finie s’est avérée suffisante pour diminuer considérablement le seuil de transition laminaire turbulent. Nous avons utilisé des simulations numériques, basées sur une approche de type “Force Coupling Method” afin de comprendre cet effet. Les domaines de simulations étaient choisis pour accommoder le minimum de structures cohérentes suffisantes pour entretenir la turbulence. Nous avons particulièrement étudié la corrélation entre le comportement instationnaire de l’écoulement et la distribution instantanée de particules, en fonction de la configuration de l’écoulement (Couette plan ou écoulement en canal), de la forme des particules ainsi que leur inertie et concentration. Dans un écoulement de Couette plan turbulent, la contrainte pariétale est augmentée en présence des particules. Les profiles (dans la direction normale aux parois) de vitesse moyenne et des contraintes de Reynolds ne sont pas significativement modifiés en présence des particules, si la viscosité du fluide est remplacée par la viscosité effective de la suspension dans le calcul du nombre de Reynolds de l’écoulement. Par contre l’analyse temporelle et modale des fluctuations de l’écoulement suggère que les particules modifient légèrement le cycle de régénération de la turbulence, à travers l’augmentation d’énergie à petites échelles. En effet, la forme des streaks et le caractère intermittent de l’écoulement sont impactés par la présence des particules, surtout quand elles sont inertielles (de densité supérieure à celle du fluide). Ces résultats ont été publiés dans le journal Physical Review F (Wang et al., 2017). En outre, nous avons montré qu’à fraction volumique égale, les propriétés d’écoulement turbulent des suspensions de particules sphéroïdales de rapport de taille compris entre 0.5 et 2, sont similaires à celles des suspensions de particules sphériques. Le transfert de particules entre les différentes structures cohérentes de l’écoulement est analysé à la fin de la thèse. Néanmoins dans un écoulement en canal, les particules iso denses augmentent l’intensité des contraintes de Reynolds dans le plan transverse. Nous montrons que par leur concentration préférentielle dans les structures cohérentes à côté des parois (les éjections), elles influencent significativement le cycle de régénération en agissant sur tous les processus à la fois linéaires et non linéaires du cycle: la formation des streaks, puis leur rupture et la régénération des vortex alignés avec l’écoulement. La diminution du seuil de transition est la conséquence directe de cette modulation du cycle.


  • Résumé

    The effect of particles on turbulence is a key phenomenon in many practical industrial applications encountered in petroleum engineering, chemical reactors and food or solid processing (transport of slurries in pipes, reactive fluidized beds, and pneumatic transport of particles), environmental engineering (such as sand storm and Particulate Matter (PM) Pollution), and biological fluid mechanics (e.g. drug delivery in blood flow and inhaled particles through the respiratory system). The experiments of Matas et al. (PRL, 2003) have highlighted the non-monotonous effect of neutrally buoyant particles on the laminar-turbulent flow transition, depending on the particle-to-pipe size ratio and on the suspension volumetric concentration. A small amount of finite size particles allowed sustaining the turbulent state and decreasing the transition threshold significantly. The complex mechanisms related to particle flow interactions are often difficult to elucidate experimentally. During the last 4 decades, direct numerical simulations have proven to be a powerful tool for understanding the features of single-phase turbulent flows. Currently, it starts to play an important role in the investigation of suspension flows as well. Almost a decade after the experiments of Matas et al. (PRL, 2003), particle-resolved numerical simulations are able to evidence that at moderate concentration, particles have a significant impact on the unsteady nature of the flow, enhancing the transverse turbulent stress components and modifying the flow vortical structures (Loisel et al. Phys. Fluids, 2013; Yu et al. Phys. Fluids, 2013; Lashgari et al. PRL, 2015). In this work, we use particleresolved numerical simulations to understand the effect of finite sized particles on wall-bounded (pressure-driven or plane Couette) turbulent flows, slightly above the laminar-turbulent transition limit. We find that in turbulent Couette flow, wall-normal profiles of the flow velocity and Reynolds stress components reveal that there is no significant difference between single phase and two-phase flows at equivalent effective Reynolds number, except that the wall shear stress is higher for the two-phase flow. At concentration up to 10%, neutrally buoyant spherical particles have a negligible effect on both the intensity and intermittency of the Reynolds stress. However temporal and modal analysis of flow fluctuations, suggest that besides increasing small scale perturbation due to their rigidity, particles have an effect on the regeneration cycle of turbulence (streak formation, streak breakdown and streamwise vortex regeneration). Indeed, the shape of the streaks and the intermittent character of the flow (amplitude and period of oscillation of the modal fluctuation energy) are all altered by the particle presence, and especially by the inertial particles (Wang et al. Phys. Rev. Fluid, 2017). When the particle shape deviates from sphericity (spheroids with aspect ratios ranging between 0.5 and 2), the features of turbulent suspension flow are not significantly impacted. The transfer of particles between different coherent structures (along the regeneration cycle period) is analyzed at the end of the thesis. Nevertheless in channel flow, neutrally-buoyant spherical particles have a drastic impact on the regeneration cycle of turbulence, decreasing thereby the transition threshold. Particles enhance the intensity of the Reynolds stress although the frequency of burst events is decreased. Particles enhance the lift-up effect and act continuously within the buffer layer. Moreover, they increase the vorticity stretching, leading to smaller and more numerous wavy streaks for suspension flows compared to the single-phase configuration.


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