Simulation des écoulements turbulents avec des particules de taille finie en régime dense

par Jorge César Brändle de Motta

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Jean-Luc Estivalezes et de Éric Climent.


  • Résumé

    Un grand nombre d'écoulements naturels et industriels mettent en jeu des particules (sédimentation,lit fluidisé, sprays...). Les écoulements chargés en particules sont bien décrits numériquement sous l'hypothèse des particules plus petites que toutes les échelles de l'écoulement. Cette thèse consiste à simuler numériquement une turbulence homogène et isotrope soutenue chargée en particules dont la taille est supérieure à l'échelle de Kolmogorov. Pour se faire une méthode de simulation a été développée au sein du code Thétis puis validée. L'originalité de cette méthode consiste en l'utilisation d'une approche de pénalisation associée à la viscosité dans la zone solide. Les particules sont transportées de façon lagrangienne. Les principaux résultats concernent trois simulations faisant varier le rapport de densité entre le fluide et le solide. Chaque simulation simule le mouvement de 512particules avec un diamètre 22 fois plus grand que l'échelle spatiale de Kolmogorov remplissant ainsi3% du volume total. La dispersion des particules est étudiée et montre des comportements comparables à ceux observés pour des particules ponctuelles. Un intérêt particulier est porté sur le régime collisionnel. On observe que la corrélation des vitesses avec le fluide environnant réduit le nombre de chocs frontaux par rapport au cas théorique de particules d'un gaz dense. L'effet de la prise en compte du fluide visqueux entre les particules (couche de lubrification) lors de la collision a été étudiée. L'écoulement moyen à l'échelle des particules est aussi analysé, mettant en évidence l'existence d'une couche de dissipation autour des particules.

  • Titre traduit

    Numerical simulation of particle laden turbulent flows with finite-sized particles in dense regime


  • Résumé

    Many applications and natural environment flows make use of particles (sedimentation, fluidized bed,sprays...). Particle laden flows are described correctly by numerical methods when the particles are smaller than all other spatial scales of the flow. This thesis involves the numerical simulation of a particle laden sustained homogeneous isotropic turbulence whose particle's size is larger than the Kolmogovov spatial scale. A numerical method has been developed and validated in the numerical code Thetis. The novelty of this method is the viscosity penalization approach. The particles are tracked by a Lagrangian way. The main results obtained are related to three simulations where the density ratio between the solid and the fluid varies. Each simulation reproduces the movement of 512particles whose diameter is 22 times the Kolmogorov spatial scale (3% volumetric solid fraction).The dispersion of particles is studied and has similar behavior than those observed with point particles simulations. The collision regime is also investigated. It is shown that he number of frontal collision is lower than its estimate for kinetic theory of gazes because there is a correlation between the particles velocity and the surrounding fluid. The modification of the collision regime when the lubrication film between particles at collision is taken into account is studied. Finally, the averaged flow around particles is analyzed and shows that there is a dissipation layer around particles.


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