Étude expérimentale de panaches de particules solubles

Experimental Investigation of Plumes of Soluble Particles

• Auteur / Autrice : Yutong Cui
• Direction : Philippe Claudin, Benoît Semin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Édouard Kaminski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Davaille, Thomas Séon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvain Joubaud, Christophe Raufaste

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sédiments en suspension

Eaux pluviales

Panaches (dynamique des fluides)

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Panache

Expérience modèle

Pluie

Dissolution

Plume

Model experiment

Rain

Dissolution

Résumé

Nous avons étudié la sédimentation d'une suspension de particules solides solubles à partir d'un point localisé au sommet d'un réservoir d'eau. Ces expériences sont partiellement analogues à une pluie localisée, où, dans l'air, les gouttelettes d'eau s'évaporent en tombant. Le cas des panaches générés par un fluide homogène lourd constitue une situation de référence bien étudiée, pour laquelle les profils transversaux de concentration et de vitesse présentent typiquement une forme gaussienne, avec une largeur augmentant linéairement avec la distance à la source. Dans ce travail, nous étudions le cas de panaches composés de particules constituées de produits chimiques solubles. Si le réservoir est rempli d'eau non saturée, les particules injectées se dissolvent progressivement au cours de leur sédimentation, ce qui affecte les caractéristiques du panache. Nous mesurons la concentration des particules par absorption de lumière, et les champs de vitesse au moyen de la PIV, ce qui nous permet d'estimer la vitesse d'entraînement en fonction du taux d'injection des particules. La forme des panaches, définie à partir des champs de concentration et de vitesse, est également discutée. Pour évaluer l'effet de la solubilité, nous comparons deux types de particules de densité similaire : des billes de plastique (polystyrène), qui ne sont pas solubles, et des particules de butyramide, qui sont très solubles dans l'eau. Ce dernier produit a également été choisi parce qu'il ne modifie pas la densité de la solution aqueuse lorsqu'il s'y dissout, de sorte que les effets de flottabilité ne se produisent qu'en raison des particules solides. Nous avons montré que la forme du panache dépend fortement de la solubilité des particules, et que la vitesse d'entraînement des particules solubles varie pour différentes propriétés des particules.

We have investigated the sedimentation of a suspension of soluble solid particles from a localized point at the top of a water tank. These experiments are partially analog with a localized rain, where, in the air, water droplets evaporate while falling down. The case of plumes generated by heavy homogeneous fluid provides a well-studied reference situation, for which concentration and velocity transverse profiles typically show a Gaussian shape, with a width increasing linearly with the distance to the source. In this work, we study the case of plumes composed of particles consisting of soluble chemicals. If the tank is filled with non-saturated water, the injected particles progressively dissolve on the course of their sedimentation, which affects the plume characteristics. We measure the particle concentration by light absorption, and velocity fields by means of PIV, allowing us to estimate the entrainment velocity as a function of the particle injection rate. The shape of the plumes, defined from the concentration and velocity fields, is also discussed. To assess the effect of solubility, we compare two types of particles of similar densities: plastic (polystyrene) beads, which are not soluble, and butyramide particles, which are highly soluble in water. The latter chemical has been also chosen because it does not change the density of the aqueous solution when it dissolves in it, so that buoyancy effects only occur due to solid particles. We have shown that the shape of the plume highly depends on the solubility of the particles, and that the entrainment velocity of soluble particles varies for different particle properties.