Écoulements inertiels dans des milieux poreux délimités par des parois : de l'échelle des pores à l'échelle globale

Inertial flows in wall-bounded porous media : from pore- to global scales

• Auteur / Autrice : Florencia Falkinhoff
• Direction : Romain Volk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/03/2023
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Vidal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Volk, Valérie Vidal, Cyprien Soulaine, Patricia Ern, Mickaël Bourgoin, Jean-Lou Pierson, Lionel Gamet, Markus Uhlmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyprien Soulaine, Patricia Ern

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement polyphasique

Matériaux poreux

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Milieux poreux

Ecoulements multiphase

Lits fixes

Fluid mechanics

Porous media

Multiphase flows

Fixed beds

Résumé

Cette thèse présente une étude expérimentale et numérique portant sur l’hydrodynamique dans des lits fixes de particules sphériques qui sont distribuées aléatoirement à l’intérieur d’un conteneur cylindrique (par exemple, un réacteur), de sorte que les effets de bord ne sont pas négligeables. Les lits fixes sont un exemple particulier de milieu poreux, et nous sommes particulièrement motivés par l’utilisation de lits fixes dans le cadre des technologies AA-CAES en tant qu’unités de stockage d’énergie thermique. Les lits fixes, comme les milieux poreux en général, présentent un problème multi-échelle :l’hydrodynamique à la plus petite échelle peut être très différente de celle à la plus grande échelle. Afin de surmonter cette hiérarchie d’échelle, des méthodes de changement d’échelle sont généralement utilisées, telles que le calcul de la moyenne volumique, qui relie les fluctuations à petite échelle avec la dynamique à grande échelle. Ces techniques sont généralement appliquées à une mésoéchelle.Cependant, les équations impliquées à cette échelle ne forment pas un système fermé, de sorte qu’un modèle de fermeture est nécessaire.De plus, les écoulements qui saturent les lits fixes peuvent devenir incroyablement complexes,car la distribution des sphères et les parois produisent des chemins tortueux et des changements locaux dans la porosité, et il existe des interactions solide-fluide qui dirigent et affectent également l’hydrodynamique. Afin d’explorer comment ces effets peuvent affecter les techniques de changement d’échelle, nous avons étudié le comportement d’un écoulement inertiel confiné aux trois échelles : la macro, la micro et la méso. Pour ce faire, nous avons effectué des simulations numériques et réalisé deux campagnes expérimentales. Les méthodes expérimentales et numériques nous ont permis d’étudier les effets hydrodynamiques des trois paramètres non dimensionnels impliqués dans le système : le nombre de Reynolds Re, la porosité " et le rapport diamètre de la sphère/réacteur D/d.Les premières campagnes expérimentales et numériques ont été consacrées à à l’étude de l’écoulement à travers des lits fixes d’un point de vue global (macro). Nous avons étudié la variabilité du champ de pression et du gradient de pression et comment ils sont affectés par les effets de confinement.La deuxième campagne expérimentale a consisté à étudier l’hydrodynamique à l’échelle des pores (micro) par la vélocimétrie par suivi de particules en adaptation d’indice optique. Nous avons observé que même si l’écoulement est globalement laminaire, son comportement à la micro-échelle est comparable à celui d’un écoulement turbulent. Nous avons ensuite complété les expériences par des données numériques, qui nous ont permis d’étudier l’homogénéité et l’isotropie locales de l’écoulement.Nous avons finalement relié les résultats obtenus à l’échelle globale et à l’échelle des pores à la méso-échelle en utilisant des résultats numériques, qui reflètent la nature multi-échelle du système.Nous avons exploré les différents termes impliqués dans les équations non fermées moyennées en volume afin d’aider à trouver un modèle de fermeture qui prend en compte les effets de paroi, qui incluent les interactions locales solide-fluide et le tenseur des contraintes de Reynolds.

This thesis presents an experimental and numerical study focused on the hydrodynamics in fixed beds of spherical particles that are randomly distributed inside a cylindrical container (e.g. a reactor), so that border effects are not negligible. Fixed beds are a particular example of a porous medium, and we are particularly motivated by the use of fixed beds in the context of AA-CAEStechnologies as a thermal energy storage unit. Fixed beds, as porous media in general, present a multi-scale problem: the hydrodynamics at the smallest scales can be very different from those at the largest scales. In order to bridge this scalehierarchy upscale techniques are usually used such as volume averaging, that link the small-scale fluctuations with the large-scale dynamics. These techniques are typically applied at a mesoscale. However, the equations involved at this scale do not form a closed system, so that a closure model is needed. Moreover, the flows that saturate fixed beds can get incredibly complex, as the spheres distribution and the walls produce tortuous paths and local changes in porosity, and there are solid-fluid interactions that also drive and affect the hydrodynamics. In order to explore how these effects can affect upscaling techniques, we studied the behavior of an inertial confined flow at all three scales: the macro, the micro and the meso. We did this by computing numerical simulations and doing two different experimental campaigns. Both the experimental and numerical methods allowed us to study hydrodynamical effects of the three non-dimensional parameters involved in the system: the Reynolds number Re, the porosity " and the sphere-to-reactor diameter ratio D/d. The first experimental and numerical campaigns were dedicated to the study of the flow past fixed beds from the global (macro) point of view. We studied the variability of the pressure fieldand pressure gradient and how they are affected by confinement effects. The second experimental campaign consisted on studying the hydrodynamics at the pore (micro) scale by using refractive index-matching Particle Tracking Velocimetry. We observed that even though the flow is globally laminar, its behavior at the microscale is comparable to that of a fully turbulent flow. We then complemented the experiments with numerical data, which allowed us to study the local homogeneity and isotropy of the flow. We finally linked the results obtained at the global and pore scales to the mesoscale using numerical results, which reflected the multi-scale nature of the system. We explored the different terms involved in the non-closed volume-averaged equations in order to help find a closure model that takes into account the wall effects, which include the local solid-fluid interactions and the Reynolds stress tensor.