Simulation numérique des interactions particule-particule et particule-paroi dans les écoulements turbulents chargés en particules non-sphériques

Numerical Simulation and Modelling of Particle-Particle and Particle-Wall Interactions in Flows loaded with Non-Spherical Particles

• Auteur / Autrice : Karan Anand
• Direction : Pascal Fede, Olivier Simonin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 07/03/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Climent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Fede, Olivier Simonin, Éric Climent, Cristian Marchioli, Jean-Lou Pierson
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Martin Sommerfeld, Aurore Naso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Dommages dus aux collisions

Mots clés libres

Écoulement chargé en particules

Particules non-sphériques

Simulation Euler-lagrange

Particle-laden flows

Non-sphérical particles

Euler-Lagrange numerical simulation

Résumé

Il est indéniable que les écoulements chargés de particules sont fréquents, tant dans la nature qu'au niveau industriel. Comprendre le comportement de ces écoulements est compliqué car, en plus de la nature stochastique de la phase porteuse turbulente, nous devons faire face au comportement aléatoire de la phase dispersée et à la manière dont elles s'influencent mutuellement. Il est impératif d'avoir une connaissance détaillée de la nature de la phase dispersée (distribution de la taille des particules, forme) et de la manière dont elle interagit avec les autres (collisions, forces électrostatiques). La majorité de la littérature existante sur les écoulements chargés de particules traite de particules sphériques idéalisées. Or, de nombreux processus, qu'ils soient naturels (cristaux de glace, grains de pollen, phytoplanctons) ou industriels (fibres textiles ou de pâte à papier, suie de combustion), comportent des particules dont la forme est anisotrope. L'étude du mouvement et de la dynamique d'une particule anisotrope dans une turbulence est une tâche difficile. Il faut tenir compte de l'orientation et du mouvement de rotation des particules, qui sont fortement couplés au mouvement de translation de la particule. On sait peu de choses sur l'effet des collisions si l'on suppose que les particules ont une forme généralement ellipsoïdale. Même les collisions sans frottement entraînent un transfert entre les énergies cinétiques de translation et de rotation. Ce couplage inhérent des mouvements de translation et de rotation peut modifier sensiblement la configuration de l'écoulement. En outre, les taux de collision et les échelles de temps pour les particules non-sphériques inertielles n'ont pas été étudiés dans ce cadre. L'objectif de cette étude est donc d'analyser les collisions dans des écoulements non homogènes statistiquement stables chargés de particules ellipsoïdales afin de comprendre, d'identifier l'effet dominant et de soutenir le développement d'approches statistiques lagrangiennes (Monte-Carlo) ou eulériennes. L'effet des collisions a été étudié et modélisé tout d'abord pour un écoulement gaz-solide en canal avec un mélange binaire de particules sphériques. Ensuite, les collisions ont été examinées pour des particules ellipsoïdales dans un écoulement granulaire sec. Enfin, l'effet de la forme des particules sur les collisions est étudié dans un écoulement en canal. Les forces de traînée et de portance du fluide ainsi que les couples appliqués aux particules ellipsoïdales ont été pris en compte dans ce cas.

There is no denying the fact that particle-laden flows are a frequent occurrence both naturally as well as at the industrial stage. Understanding the behaviour of these flows is complicated because, in addition to the stochastic nature of the turbulent carrier phase, we have to deal with the random behaviour of the dispersed phase and how they affect each other. It is imperative to have detailed knowledge regarding the nature of the dispersed phase (particle-size distribution, shape and how it interacts with one another (collisions, electrostatic forces). A majority of the existing literature on particle-laden flows deals with idealized spherical particles. Whereas, many processes including both natural (ice crystals, pollen grains, phytoplanktons) and industrial (textile or pulp fibres, combustion soot) have particles that are anisotropic in shape. Studying the motion and dynamics of an anisotropic particle in a turbulent is a challenging task. One has to take into account the orientation and rotational motion of the particles which are strongly coupled with the translational motion of the particle. Little is known regarding the effect of collisions if particles are assumed to have a generally ellipsoidal shape. Even frictionless collisions lead to transfer between translational and rotational kinetic energies. This inherent coupling of translation and rotational motion can noticeably change the configuration of the flow. Furthermore, the collision rates and timescales for inertial non-spherical particles have not been studied in this framework. Hence, the purpose of this study is to analyze collisions in non-homogeneous statistically steady flows loaded with ellipsoidal particles to understand, identify the dominant effect and support the development of statistical Lagrangian (Monte-Carlo) or Eulerian approaches. The effect of collisions has been investigated and modelled first for gas-solid channel flow with a binary mixture of spherical particles. Then collisions were examined for ellipsoidal particles in a dry granular flow. Finally, the effect of particle shape on collisions is studied in a channel flow. The fluid drag and lift forces as well as torques applied on the ellipsoidal particles were considered in this case.