Particules matérielles en écoulement turbulent. Transport, dynamique aux temps longs et transfert thermique

Material particles in turbulent flow. Transport, long-times dynamics and heat transfer

• Auteur / Autrice : Nathanaël Machicoane
• Direction : Romain Volk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/07/2014
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Magnaudet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Volk, Jacques Magnaudet, Alberto Aliseda, Frédéric Moisy, Javier Burguete, Jean-François Pinton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alberto Aliseda, Frédéric Moisy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion (chimie physique)

Glace

Nombre de Nusselt

Turbulence

Mots clés libres

Turbulence

Nombres de Reynolds élevés

Dynamique lagrangienne

Particules matérielles

Effets de taille

Transfert thermique

Nombre de Nusselt

Glace

Fusion

Écoulement de von Kármán

Ombroscopie

Turbulence

High Reynolds number

Lagrangian dynamics

Material particles

Finite-size effetcs

Heat transfer

Nusselt number

Ice

Melting dynamics

Von Kármán flow

Shadowgraphy

Résumé

Nous nous intéressons au transport turbulent de particules de taille grande devant l’échelle de Kolmogorov. Cette situation se retrouve à la fois dans les écoulements naturels (comme le transport de sédiments) et dans les écoulements industriels (solutés solides dans un mélangeur par exemple). Pour aborder ce problème, nous étudions la dynamique de particules de taille proche de l’échelle intégrale, de densité égale ou légèrement différente de celle du fluide, dans un écoulement turbulent de von Kármán contra-rotatif, à l’aide d’un montage de suivi lagrangien rapide. L’étude de la dynamique rapide des particules montre une diminution forte des fluctuations selon la taille, mais aussi l’apparition d’un phénomène nouveau : à partir d’une certaine taille, les particules n’explorent plus l’écoulement de façon homogène. Cette exploration préférentielle est liée à la structure moyenne de l’écoulement de von Kármán, qui crée une force de piégeage. Cette force devient alors supérieure aux fluctuations des particules quand leur taille dépasse une taille critique. Une étude dans le régime laminaire, où l’écoulement moyen domine largement les fluctuations, a en effet mis en évidence un piégeage fortement accru. Les particules orbitent alors pendant des temps très longs autour des attracteurs stables des particules fluides de l’écoulement laminaire. Même en régime pleinement turbulent, le déplacement des particules entre ces zones s’effectue sur des durées longues, décorrélées des temps de la dynamique turbulente. Nous avons adapté les outils d’analyse pour caractériser cette dynamique et l’avons comparée à celle de particules isodenses dans un écoulement de von Kármán qui possède deux états asymétriques. Nous avons également élaboré un modèle qui reproduit ces caractéristiques dans les cas symétrique et asymétrique. Ces questions sont intimement liées au transfert de masse ou de chaleur entre une particule et l’écoulement. Nous avons donc aussi étudié la fusion de grosses billes de glace en turbulence développée, analysant l’influence de la taille des billes et de la vitesse de glissement sur le transfert thermique, à l’aide d’un montage d’ombroscopie afocale. Nous avons notamment montré que les grosses billes de glace fondent dans un régime ultime de convection forcée lorsqu’elles sont librement advectées par l’écoulement.

We are interested in the turbulent transport of particles whose size is bigger than the Kolmogorov length scale. This issue takes place as much in natural flows (such as sediment transport) as in industrial flows (solid solute in mixer for instance). To tackle this problem, we study the dynamics of particle with size close to the integral length scale, whose density can be neutral or slightly different from the one of the fluid, in a turbulent counter-rotating von Kármán flow, through a fast Lagrangian tracking setup. Studying the fast scale motions, we find out that the fluctuations decrease strongly with particle diameter, but we also discover a new phenomena: particles bigger than a certain size do not sample the flow homogeneously. This preferential sampling is link to the von Kármán mean structure, which applies a trapping force on the particles, overcoming their fluctuations as their size becomes bigger than a critical size. A study in the laminar flow regime, where the mean flow is much greater than the fluctuations, showed an strongly increased trapping effect. The particles indeed orbit for very long times around stable attractors of the fluid particles of the laminar flow. Even in turbulent regime, the motion of the particle between these areas occurs at long times intervals, in a decorrelated way of the turbulent motion. We adapted our analysis tools to characterize this dynamics, comparing it to the one of large neutrally-buoyant particles in a von Kármán flow which presents two asymmetric states. We also designed a model that can reproduce these characteristics in both symmetrical and asymmetrical cases. These issues are tightly linked to mass or heat transfer between a particle and the carrier flow. Therefore, we also studied the melting dynamics of large ice balls in fully developed turbulence, analyzing the impact of particles size and sliding velocity on the turbulent heat transfer, through an afocal shadowgraphy setup. We showed in particular that large freely advected ice balls melt in the ultimate regime of heat transfer.