Concentration préférentielle et vitesse de chute de particules inertielles en écoulement turbulent

Clustering and settling dynamics of inertial particles under turbulence

• Auteur / Autrice : Daniel Mora-Paiba
• Direction : Alain Cartellier, Alberto Aliseda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 19/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Léonie Canet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Romain Volk, Romain Monchaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement (hydrologie) -- Vitesse

Turbulence

Mots clés libres

Imagerie haute cadence

Concentration préférentielle

Particules inertielles

Inertial particles

Clustering

High-Speed imaging

Résumé

Les écoulements chargés de particules turbulentes sont répandus dans les applications industrielles et les phénomènes naturels. Au cours des dernières décennies, deux observations: la concentration préférentielle et la modification de la vitesse de sédimentation des particules se sont révélées être les conséquences les plus pertinentes de ces interactions particules - turbulence. Compte tenu de la complexité du problème, ce travail est composé de quatre lots de travaux.Le premier paquet implique une analyse des pièges de la méthode de pavage Vorono "{i}, qui est largement utilisée pour quantifier la concentration préférentielle. Nous avons trouvé quelques pièges qui compromettent les résultats de l'analyse en utilisant des enregistrements unidimensionnels. En outre, nous proposons une nouvelle méthode pour démêler les amas induits par la turbulence des fluctuations spatiales aléatoires, un problème commun signalé par d'autres chercheurs.Le deuxième ensemble comprend l'analyse de la turbulence en phase porteuse dans notre installation de soufflerie. À cet égard, nous conjecturons que les différents générateurs de turbulence (réseaux actifs, ouverts et passifs) modifient la cascade de turbulence et pourraient ainsi avoir un impact sur la concentration préférentielle des particules et le comportement de sédimentation. Dans ce but, nous avons analysé les flux générés par la grille active et constaté qu'une grille active laissée ouverte (avec un minimum de blocage) présente des échelles similaires à celles trouvées dans les grilles fractales. De plus, l'échelle de longueur intégrale n'a pas pu être facilement calculée pour les flux générés par la grille active en utilisant des protocoles triples aléatoires en raison du comportement de la fonction d'autocorrélation dans ces flux, qui ne franchit pas zéro. Nous proposons une nouvelle méthode pour résoudre ce problème qui pourrait être facilement appliquée dans une myriade de situations.Le troisième paquet consiste à estimer le taux de dissipation turbulente sur la phase porteuse due à la présence de particules. Au moyen d'une extension du théorème de Rice, qui relie l'échelle de longueur de Taylor à la distance moyenne entre les passages par zéro, nous avons proposé une méthode pour estimer la turbulence de la phase porteuse en présence de particules. Cette méthode utilise des ensembles de données de particules enregistrées par interférométrie doppler de phase. Nos résultats sont cohérents avec les expériences précédentes et les simulations numériques.Le quatrième paquet se réfère à la modification de sédimentation des particules. Nous avons trouvé que le nombre de Taylor Reynolds Re_lambda est le principal contributeur à la modification de la sédimentation des particules: à des valeurs croissantes de Re_lambda , la vitesse de sédimentation des particules est réduite. De plus, à des valeurs croissantes de Re_lambda , les frontières entre la modification positive et négative de la sédimentation se déplacent vers des valeurs plus petites du nombre de Rouse Ro = V_T / u .

Turbulent particle laden flows are widespread in industrial applications, and natural phenomena. Over the last decades, two observations: preferential concentration, and particle settling velocity modification have stood out as the most relevant consequences of such particle - turbulence interactions. Given the complexity of the problem, this work is composed of four work packages.The first package involves a pitfall analysis of the Vorono"{i} tessellation method, which is widely used to quantify preferential concentration. We found some pitfalls that compromise the results of the analysis using uni-dimensional records. In addition, we propose a new method to disentangle turbulence driven clusters from random spatial fluctuations, a common problem reported by other researchers.The second package involve the analysis of the carrier phase turbulence in our wind tunnel facility. In this regard, we conjecture that the different turbulence generators (active, open, and passive grids) do change the turbulence cascade, and thereby, they could impact the particles preferential concentration and settling behavior. To this aim, we have analysed active grid generated flows, and found that an active grid left open (with minimum blockage) exhibits scalings similar to those found in fractal grids. Moreover, The integral length scale could not be easily computed for active grid generated flows using triple random protocols due to the behavior of the autocorrelation function in such flows, which does not cross zero. We propose a new method to tackle this problem which could be easily applied in a myriad of situations.The third package consist of estimating the turbulent dissipation rate on the carrier phase due to the particle presence. By means of an extension of the Rice theorem, which relates the Taylor length scale with the average distance between zero crossings, we have proposed a method to estimate the carrier phase turbulence in the presence of particles. This method uses particle datasets recorded by phase doppler interferometry. Our results are consistent with previous experiments, and numerical simulations.The fourth package refers to the particle settling modification. We found that the Taylor Reynolds number Re_lambda is the leading order contributor the particles settling modification: at increasing values of Re_lambda the settling velocity of the particles is reduced. Also, at increasing values of Re_lambda the boundaries between positive, and negative particle settling modification shifts to smaller values of the Rouse number Ro=V_T/u.