Etude expérimentale de la sédimentation de particules inertielles en turbulence
Auteur / Autrice : | Benjamin Laplace |
Direction : | Romain Volk |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Physique |
Date : | Soutenance le 05/04/2022 |
Etablissement(s) : | Lyon |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....) |
Partenaire(s) de recherche : | établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...) |
Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....) | |
Jury : | Président / Présidente : Véronique Roig |
Examinateurs / Examinatrices : Romain Volk, Véronique Roig, Romain Monchaux, Aurore Naso, Mickaël Bourgoin, Martín Obligado | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Romain Monchaux, Aurore Naso |
Mots clés
Résumé
Bien que la turbulence soit connue pour sa capacité à disperser efficacement la matière, des particules inertielles transportées par un écoulement turbulent n’explorent pas toutes ses régions de manière homogène. Au cours de cette thèse, deux études expérimentales ont ainsi permis d’aborder le problème de l’exploration préférentielle de particules plus denses que le fluide porteur.Dans un premier dispositif expérimental, la distribution spatiale de billes en polyamide ou en polyacétal de tailles comparables à l’échelle intégrale de la turbulence, transportées par un écoulement tourbillonnaire fermé à grands nombres de Reynolds, a été étudiée. Ces particules étant plus denses que le fluide porteur, leur dynamique est pilotée par la compétition entre l’agitation turbulente et l’effet de la gravité. Lorsque la fréquence de rotation du disque qui engendre l’écoulement est faible, la sédimentation des billes domine leur resuspension par la turbulence de telle sorte qu’elles restent confinées en bas de la cuve. À partir d’une certaine fréquence de rotation, les fluctuations turbulentes surpassent l’effet de la gravité et les particules explorent l’entièreté de la boîte. Cependant, deux comportements extrêmement différents apparaissent en fonction de la taille des billes. Alors que les plus petites sont distribuées de façon presque homogène, les plus grosses se trouvent préférentiellement dans la partie supérieure, comme si la gravité avait été inversée. Ce piégeage trouve son origine dans le fait que ces dernières sont trop grosses pour atteindre les zones descendantes de l’écoulement situées dans les coins et ne retombent donc que très rarement vers le bas.Un second dispositif expérimental a été construit dans lequel un écoulement turbulent est généré dans une tour par un réseau de jets orientés vers le haut, s’allumant et s’éteignant de façon aléatoire. Un tel forçage permet de minimiser l’existence d’un écoulement moyen tout en garantissant d’importantes fluctuations de vitesse, mais une décroissance spatiale de la turbulence est observée en s’éloignant des jets. Cet écoulement a permis l’étude de l’altération de la vitesse de sédimentation de particules en verre de tailles légèrement supérieures à l’échelle dissipative par la turbulence. En s’appuyant sur une mesure simultanée des propriétés de l’écoulement et des trajectoires des particules inertielles au cours de leur chute, il a été possible de mettre directement en évidence que les billes explorent préférentiellement les régions descendantes de la turbulence. Il en résulte que leur vitesse de sédimentation est accrue d’autant plus fortement que l’intensité de la turbulence est grande et que la taille de la particule est petite.