Thèse soutenue

Simulation du comportement d'ellipsoïdes en écoulement turbulent confiné

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Auteur / Autrice : Antoine Michel
Direction : Anne TanièreBoris Arcen
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Énergie et Mécanique
Date : Soutenance le 18/11/2021
Etablissement(s) : Université de Lorraine
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
Jury : Président / Présidente : Olivier Simonin
Examinateurs / Examinatrices : Anne Tanière, Boris Arcen, Alain Pumir, Ivana Vinkovic, Stéphane Vincent
Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Simonin, Alain Pumir

Résumé

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En utilisant la simulation numérique directe (DNS), la dynamique de particules non sphériques inertielles dans un écoulement turbulent de canal a été étudiée numériquement. Un suivi lagrangien de particules, qui sont supposées ponctuelles et modélisées par des ellipsoïdes de révolution allongés, est utilisé pour étudier l’influence du rapport d’aspect et du temps de relaxation des particules sur leur interaction avec l’écoulement. La simulation numérique directe de l’écoulement permet d’obtenir une information précise sur les caractéristiques du fluide à la position des particules, qui sont nécessaire pour calculer les actions hydrodynamiques auxquelles elles sont soumises. Deux méthodes de calculs des actions hydrodynamiques ont été définies afin d’analyser leur influence sur la dynamique des particules. La première est basée sur des modèles théoriques, qui sont valides sous l’hypothèse d’un écoulement rampant à l’échelle de la particule et sont très utilisés dans la littérature. La seconde est basée sur l’utilisation de corrélations semi-empiriques, valides pour des valeurs du nombre de Reynolds particulaire modérées. Les simulations ont été réalisées jusqu’à ce que la distribution des particules atteigne un état stationnaire, afin d’obtenir une comparaison non biaisée de l’influence de la forme et de l’inertie. Quelle que soit la modélisation, les statistiques de la vitesse de translation ne dépendent pas significativement de l’allongement des particules. Il y a par contre des différences quantitatives importantes entre les statistiques de translation obtenues avec ces deux méthodes de modélisation pour les particules d’inertie élevée. Les statistiques de rotation sont affectées de façon majeure par la modélisation des actions hydrodynamiques, quelle que soit la position dans le canal. Ces observations concernant l’influence de la modélisation restent valides pour des valeurs plus élevées du nombre de Reynolds. L’augmentation de la valeur de ce paramètre cause néanmoins une uniformisation de la distribution des particules et une augmentation de l’intensité des fluctuations de la vitesse et de la vitesse angulaire de l’écoulement vu par les particules. Ces fluctuations plus intenses modifient l’orientation préférentielle des ellipsoïdes, indépendamment de leurs caractéristiques et du modèle utilisé pour calculer les actions hydrodynamiques. La comparaison des résultats obtenus par simulation avec des données expérimentales indique que les formulations bas Reynolds permettent une représentation correcte de la dynamique de particules très allongées et non inertielles.