Dynamiques des particules dans la turbulence : la rôle de l'inhomogeneité, l'anisotropie, et les effets collectifs

Particle dynamics in turbulence : from the role of inhomogeneity and anisotropy to collective effects

• Auteur / Autrice : Peter Dearborn Huck
• Direction : Romain Volk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/12/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon / Phys-ENS
• Jury : Président / Présidente : Francesca Chilla
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Volk, Francesca Chilla, Sergio Chibbaro, Nicolas Mordant, Romain Monchaux, Mickaël Bourgoin, Ivana Vinkovic, Alberto Aliseda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sergio Chibbaro, Nicolas Mordant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Mots clés libres

Turbulence

Particules inertielles

Effets collectifs

Particle Tracking Velocimetry (PTV)

Statistiques Lagrangiennes

Turbulence

Inertial particles

Collective effects

Particle Tracking Velocimetry (PTV)

Lagrangian statistics

Résumé

La turbulence est connue pour sa capacité à disperser efficacement de la matière, que ce soit des polluantes dans les océans ou du carburant dans les moteurs à combustion. Deux considérations essentielles s’imposent lorsqu’on considère de telles situations. Primo, l’écoulement sous-jacente pourrait avoir une influence non-négligeable sur le comportement des particules. Secundo, la concentration locale de la matière pourrait empêcher le transport ou l’augmenter. Pour répondre à ces deux problématiques distinctes, deux dispositifs expérimentaux ont été étudiés au cours de cette thèse. Un premier dispositif a été mis en place pour étudier l’écoulement de von Kàrmàn, qui consiste en une enceinte fermé avec de l’eau forcé par deux disques en contra-rotation. Cette écoulement est connu pour être très turbulent, inhomogène, et anisotrope. Deux caméras rapides ont facilité le suivi Lagrangien des particules isodenses avec l’eau et petites par rapport aux échelles de la turbulence. Ceci a permis une étude du bilan d’énergie cinétique turbulente qui est directement relié aux propriétés de transport. Des particules plus lourdes que l’eau ont aussi été étudiées et montrent le rôle de l’anisotropie de l’écoulement dans la dispersion des particules inertielles. Un deuxième dispositif, un écoulement de soufflerie ensemencé avec des gouttelettes d’eau micrométriques a permis une étude de l’effet de la concentration locale de l’eau sur la vitesse de chute des gouttelettes grâce à une montage préexistant. Un modèle basé sur des méthodes théorique d'écoulements multiphasiques a été élaboré enfin de prendre en compte les effets collectifs de ces particules sedimentant dans un écoulement turbulent. Les résultats théoriques et expérimentaux mettent en évidence le rôle de la polydispersité et du couplage entre les deux phases dans l’augmentation de la sédimentation des gouttelettes.

Turbulence is well known for its ability to efficiently disperse matter, whether it be atmospheric pollutants or gasoline in combustion motors. Two considerations are fundamental when considering such situations. First, the underlying flow may have a strong influence of the behavior of the dispersed particles. Second, the local concentration of particles may enhance or impede the transport properties of turbulence. This dissertation addresses these points separately through the experimental study of two different turbulent flows. The first experimental device used is the so-called von K\'arm\'an flow which consists of an enclosed vessel filled with water that is forced by two counter rotating disks creating a strongly inhomogeneous and anisotropic turbulence. Two high-speed cameras permitted the creation a trajectory data base particles that were both isodense and heavier than water but were smaller than the smallest turbulent scales. The trajectories of this data base permitted a study of the turbulent kinetic energy budget which was shown to directly related to the transport properties of the turbulent flow. The heavy particles illustrate the role of flow anisotropy in the dispersive dynamics of particles dominated by effects related to their inertia. The second flow studied was a wind tunnel seeded with micrometer sized water droplets which was used to study the effects of local concentration of the settling velocities of these particles. A model based on theoretical multi-phase methods was developed in order to take into account the role of collective effects on sedimentation in a turbulent flow. The theoretical results emphasize the role of coupling between the underlying flow and the dispersed phase.