Stochastic model for the deposition of colloidal particles on rough walls in turbulent flows

• Auteur / Autrice : Christophe Henry
• Direction : Grégory Lefèvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des Interfaces
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Rugosité

Particules (matière)

Résumé

Ce travail de thèse consiste en la formulation et la validation de nouveaux modèles pour simuler l'encrassement particulaire (i. E. L’accumulation de particules colloïdales sur une paroi) dans un écoulement turbulent dans le cadre des méthodes Lagrangiennes stochastiques. La première partie de la thèse présente un nouveau modèle de calcul des interactions particules-parois prenant en compte la rugosité de surface. Ce modèle est d'abord validé sur des cas-tests élémentaires et l'influence de la rugosité de surface sur l'énergie d’interaction est analysée. Ce modèle est ensuite couplé à un modèle de transport de particules dans un écoulement. Un bon accord avec les mesures de dépôt de particules est alors obtenu. Dans un second temps, le modèle d'interaction particule-paroi est étendu au calcul des forces d'adhésion incluant les effets de la rugosité et des forces électrostatiques. Les résultats obtenus sont en accord avec les mesures de forces d'adhésion disponibles. Puis, ce modèle d'adhésion est couplé à un modèle de remise en suspension de particules. Les prédictions ainsi obtenues reproduisent bien les données expérimentales. Enfin, le troisième volet de la thèse propose une extension du modèle de dépôt à la prédiction de l'accumulation de particules sur une paroi via l'introduction des interactions interparticulaires. Les résultats numériques sont en accord qualitatif avec des mesures de colmatage et confirment la capacité du modèle à prédire le colmatage complet d'un orifice. Cette étude souligne l'importance du couplage entre les interactions particule-fluide, particule-surface et particule-particule dans la modélisation de l'encrassement particulaire.

The aim of this PhD work is to develop physical models aiming at simulating particulate fouling (i. E. The accumulation of inorganic colloidal particles on surfaces) in turbulent flows in the framework of stochastic Lagrangian methods. In the first part, a new model for the calculation of particle-surface interactions including the effects of surface roughness is presented. This model is first validated on simple test-cases and the influence of surface roughness on the overall interaction is analysed. This model is then coupled with a model for particle transport in a turbulent flow. Numerical results obtained for particle deposition are found to be in line with measurements. The second part of this work is devoted to the extension of the particle-surface interaction model for the calculation of adhesion forces, accounting for both surface roughness and electrostatic forces. Numerical predictions are in good agreement with experimental data on adhesion forces. Furthermore, this model is coupled with a model for particle resuspension and numerical results obtained are shown to compare well with some available experiments. In the third part of this work, the particle deposition model is extended to simulate the accumulation of particles on a surface through the introduction of particle-particle interactions in the particle-surface interaction. Numerical results are in qualitative agreement with available experimental data, and highlight the ability of the model to reproduce a complete blockage. This study underlines the necessity to account for the coupling between particle-fluid, particle-surface and particle-particle interactions to simulate particulate fouling.