Étude numérique du dépôt turbulent de particules non-browniennes en suspension dans un liquide : application aux inclusions dans l’acier liquide

par Arunvady Xayasenh

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Hervé Duval.

Le président du jury était Laurent Joly.

Le jury était composé de Hervé Duval, Anne Tanière, Olivier Masbernat, Jean-Pierre Bellot, Jean-Pierre Minier.

Les rapporteurs étaient Anne Tanière, Olivier Masbernat.


  • Résumé

    Nous étudions par simulation numérique le transport et le dépôt turbulent d’inclusions d’oxydes métalliques (de l’ordre de 10 µm de diamètre) en suspension dans l’acier liquide. Deux surfaces de dépôt sont envisagées : l’interface acier liquide/paroi solide et l’interface métal liquide/laitier. Dans les deux cas, nous nous focalisons sur la couche limite adjacente à l’interface. Le comportement des inclusions en suspension est examiné à l’aide d’un suivi lagrangien où le poids, la poussée d’Archimède, la force d’accélération en volume, la force de masse ajoutée et la force de traînée sont prises en compte dans l’équation de la dynamique. Dans le cas de la paroi solide, nous nous appuyons sur une représentation schématique de l’écoulement du métal liquide dans la sous-couche visqueuse et dans la zone tampon, où les structures turbulentes qui apportent le liquide à la paroi (sweeps) ou l’éjectent (bursts) sont décrites analytiquement (modèle d’Ahmadi). Les simulations numériques montrent que les mécanismes principaux de dépôt des inclusions sont la sédimentation et dans une moindre mesure l’interception directe. Notons cependant que la contribution de l’interception directe croît avec l’intensité turbulente de l’écoulement et peut devenir prépondérante pour les vitesses de frottement les plus élevées (au-delà de 0,1 m.s-1). Les effets inertiels ont, quant à eux, une contribution négligeable sur le dépôt des inclusions (contrairement au cas des aérosols). Enfin, la prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la paroi solide conduit à une diminution significative de la vitesse de dépôt des inclusions. Dans le cas de l’interface acier liquide/laitier, l’écoulement du métal liquide est calculé par simulation numérique directe (DNS) à l’échelle de la couche de surface. La turbulence, générée à distance de l’interface par un forçage aléatoire, diffuse vers l’interface métal liquide/laitier modélisée comme une surface libre indéformable. L’évolution des inclusions en suspension est obtenue par un suivi lagrangien à l’aide d’un couplage one-way. Le nombre de Reynolds de surface des simulations varie de 68 à 235. Le diamètre des inclusions varie de 10-5m à 5.10-5m et le rapport entre la densité des inclusions et la densité du métal varie de 0,5 (inclusions d’alumine) à 1 (inclusions fictives). Il apparaît que le dépôt des inclusions d’alumine est contrôlé par la sédimentation. En l’absence d’effet gravitaire, le dépôt d’inclusions est contrôlé par l’interception directe et dépend fortement du nombre de Reynolds de surface. Dans ce dernier cas, nous montrons que la vitesse de dépôt adimensionnée par la vitesse de Kolmogorov de surface est proportionnelle au diamètre des inclusions adimensionné par la longueur de Kolmogorov de surface. La prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la surface libre conduit à une diminution de moitié de la contribution de l’interception directe mais affecte peu la contribution gravitationnelle. En outre, en l’absence d’effet gravitaire, la linéarité entre la vitesse de dépôt adimensionnée et le diamètre des inclusions adimensionné est conservée.

  • Titre traduit

    Numerical study on turbulent deposition of non-Brownian particles suspended in a liquid phase : application to inclusions in liquid steel


  • Résumé

    The deposition of metallic oxide inclusions (of about 10 µm in diameter) suspended in liquid steel is studied by numerical simulation. Two types of deposition surface are investigated, i.e., the liquid steel/solid wall interface and the liquid steel/liquid slag interface. In both cases, we focus on the boundary layer adjacent to the interface. The inclusion behavior is examined thanks to Lagrangian particle tracking: Newton’s second law governing inclusion motion includes the buoyancy force, the pressure gradient force, the added mass force and the steady drag force.For the liquid steel/solid wall interface, the inclusion behavior is analyzed in the buffer layer and in the viscous layer. These layers are described according to Ahmadi’s model, which provides a kinematic representation of the turbulent structures responsible for deposition, i.e., the sweeps and the bursts of liquid. The numerical simulations show that the deposition is mainly controlled by sedimentation. However, since the direct interception contribution increases with the turbulence intensity, direct interception becomes dominant for the highest values of the friction velocity (greater than 0.1 m.s-1). When the hydrodynamic interactions between the inclusions and the solid surface are taken into account, the deposition velocity is significantly reduced. Finally, it should be noted that the inertial forces have a negligible effect on the inclusion deposition velocity. For the liquid steel/liquid slag interface, the inclusion turbulent deposition is investigated using direct numerical simulation of the liquid flow combined with Lagrangian particle tracking under conditions of one-way coupling. The interface is modeled as a non-deformable free-slip surface. Unsheared turbulence is generated by random forcing in a finite-height region parallel to the free-slip surface. In between, the turbulence diffuses toward the free surface. The Reynolds number at the interface varies from 68 to 235. The inclusion diameter varies from 10-5m to 5.10-5m and the particle to liquid density ratio from 0.5 (alumina inclusions) to 1 (fictitious inclusions). It appears that the deposition of alumina inclusions is controlled by sedimentation whereas direct interception is the only deposition mechanism for non-buoyant inclusions. In the latter case, the deposition velocity strongly depends on the surface Reynolds number. It is shown that the deposition velocity made dimensionless by the free surface characteristic velocity scales as the inclusion diameter made dimensionless by the Kolmogorov length scale calculated at the free surface. When the hydrodynamic interactions between the inclusions and the free surface are taken into account, the direct interception contribution of the deposition velocity is significantly reduced (about half of the value without hydrodynamic retardation) but the scaling law is conserved.


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