Réduction de la traînée induite par les biopolymères dans des écoulements turbulents

Biopolymer drag reduction in turbulent flow

• Auteur / Autrice : Ricardo Elkhoury
• Direction : Elie Hachem
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mathématiques numériques, Calcul intensif et Données
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Mise en Forme des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université de Recherche Paris Sciences et Lettres (2015-2019)

Mots clés

Mots clés libres

Réduction de la trainée

Turbulence

Biopolymère

Drag reduction

Turbulence

Biopolymer

Résumé

Le but de ce projet est de réduire les gaspillages d'eau et d'électricité dans les systèmes de pompage d'eau en utilisant un phénomène (et/ou technique) lié à la mécanique des fluides non-newtoniens appelé réduction de traînée par biopolymères. Une diminution impressionnante de pression, allant jusqu'à 70% dans les écoulements turbulents, est induite par l'addition d'une petite quantité (en ppm) de biopolymères, tel que ceux extraits de l'aloe-vera. Cette plante, dont la culture ne nécessite qu'une faible quantité d'eau, n'a presque besoin d'aucun entretien et que d'un investissements peu coûteux, produit une mucilage naturelle stable et non toxique, qui grâce à ces propriétés mécaniques, peut interagir avec les écoulements turbulents, en suppriment partiellement leur nature chaotique, et par conséquent, la contrainte de cisaillement sur les parois des tuyaux. Ceci en résulte une réduction considérable des coûts de pompage (liés à la diminution du nombre de pompes utilisées) et des fuites d'eau (liés à la prévention des fractures des tuyaux dues à la diminution de la contrainte de cisaillement sur les parois), ce qui peut se traduire par un gain de productivité dans les fermes et/ou les industries. Ainsi, la réduction de traînée induite par les biopolymères peut être considérée comme une technique simple, sûre, et peu coûteuse, qui peu être utile non seulement dans les pays développés, mais aussi dans les pays les plus pauvres, pour pouvoir réduire de manière significative, les coûts énergétiques, et les fuites d'eau associés aux systèmes de pompage. Cependant, le manque de compréhension physique de l'interaction entre les biopolymères rigides et l'écoulement turbulent conduit à un control de la technique mentionnée qui est souvent réalisé par essais et erreurs, ce qui la rend loin d'être optimale.

The purpose of this project is to reduce both water and electricity wastes in water pumping systems by benefiting from a non-Newtonian fluid mechanics phenomenon (and/or technique) called biopolymer drag reduction: a dramatic pressure drop decrease of up to 70% in turbulent flows induced by the addition of a tiny amount (parts-per-million) of biopolymers, such as the aloe vera-extracted ones. This plant, whose cultivation requires a small amount of water, almost no maintenance and low budget investments, produces a stable and non-toxic natural mucilage that, thanks to its mechanical properties, can interact with turbulent flows, partially suppressing their chaotic nature and, consequently, the wall shear stress in pipelines. As a result, a tremendous reduction of pumping costs (associated with the diminution in the number of used pumps) and water leaks (related to the prevention of pipe fractures due to the wall shear stress decrease) is observed, which ultimately can be converted into productivity gain in farms and/or industrial complexes. Hence, the biopolymer-induced drag reduction phenomenon can be seen as a simple, safe and cheap technique that can be applied not only in developed countries but also in the planet's poorest regions to expressively decrease both the energetic cost and the water leak associated with water pumping systems. However, lacking a priori physical understanding of the interactions between the rigid biopolymers and the turbulent flow, the control of the mentioned technique is now often done by trial-and-error, and thus it is far from optimal.