Fluid-particle interactions : from the simple pendulum to collective effects in turbulence

par Martín Obligado

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique

Sous la direction de Mickaël Bourgoin.

Le président du jury était Jan Dusek.

Le jury était composé de Christophe Baudet, Haitao Xu, Alberto Aliseda.

Les rapporteurs étaient Romain Volk, Markus Uhlmann.

  • Titre traduit

    Interaction particule-fluide : du pendule simple aux effets collectifs en turbulence


  • Résumé

    Cette thèse est organisée en deux parties. Après une brève introduction théorique (chapitre 1) et une discussion présentant la soufflerie du LEGI et des techniques expérimentales utilisées (chapitre 2), une première partie étudie les effets individuels des particules dans les écoulements tantôt laminaires et turbulents. Dans une seconde partie je me suis intéressé aux effets collectifs d’une population dense d’inclusions en interaction avec un champ turbulent.Dans le chapitre 3, nous montrons que l’équilibre d’un disque pendulaire faisant face à un écoulement présentant une vitesse moyenne présente un comportement bi-stable et hystérétique. Nous donnons une interprétation simple de ce comportement en termes d’une description par deux puits de potentiel, nécessitant uniquement de connaître la dépendance angulaire du coefficient de trainée normale d’une plaque statique inclinée. Nous étudions l’influence de la turbulence sur l’équilibre du pendule en général et sur la bi-stabilité observée en particulier.La dynamique des objets tractés dans un environnement fluide est d’intérêt pour de nombreuses situations pratiques. Les chapitres 4,5 et 6 concernent l’étude expérimentale de l’équilibre et de la stabilité de la trajectoire d’une sphère tractée à vitesse constante. Dans le chapitre 4, nous avons vu que le sillage d'une sphère peut produire un mouvement hélicoïdal d'une sphère remorqué par un fil. Nous avons constaté qu'il existe un nombre de Reynolds (défini avec le diamètre de la particule et la vitesse moyenne de l’écoulement) particulier pour activer cette motion instable. Une trajectoire en trois dimensions est reconstruite avec un dispositif expérimental extrêmement simple, utilisé pour la caractérisation de la forme de la trajectoire des particules. Dans le chapitre 5, nous étudions expérimentalement l'équilibre et la stabilité de la trajectoire d'une sphère remorqué à une vitesse constante dans la avec un rapport longueur - diamètre sans précédent. En ce chapitre, nous étudions les instabilités développées dans le fil pour un écoulement laminaire. Diffèrent types d’instabilités ont été trouvés dans cette expérience. Dans le chapitre 6, le même système est étudié, mais l'écoulement environnant est turbulent. Nous nous concentrons sur la comparaison entre la dynamique turbulente de la sphère tractée et d’une sphère librement advectèe. Nos résultats sont en accord avec un scénario de filtrage résultant du temps de réponse visqueuse d'une particule d'inertie dont la dynamique est couplée au fluide environnant par la force de traînée. Une caractéristique frappante des écoulements turbulents chargés de particules inertielles est la concentration préférentielle qui conduit à de très fortes hétérogénéités du champ de concentration en particules à différentes échelles. Les diagrammes de Voronoi ont été utilisés pour caractériser quantifier ce phénomène.En ce qui concerne les effets collectifs, trois écoulements différents ont été étudiés : bulles d’air (particules moins denses que le fluide, avec une taille de l’ordre de l´échelle de Kolmogorov) dans un canal a eau (chapitre 7), des particules solides légèrement plus denses que le fluide et diamètre supérieur à l´échelle de Kolmogorov dans une écoulement de von Kármán (chapitre 8) et gouttelettes d’eau dans la soufflerie (chapitre 9) ; de particules beaucoup plus denses que le fluide et diamètre inférieur à l’échelle de Kolmogorov. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction des champs de concentration des particules dans les expériences par analogie avec le fonctionnement des caméras linéaire, et en exploitant l’hypothèse de Taylor dans la soufflerie. Cette nouvelle approche nous permet de reconstruire des champs de particules de plusieurs mètres de long. Ces champs permettent d’analyser la formation des superclusters. Nous montrons en effet que les clusters tendent eux-mêmes à s’organiser en superclusters (amas d’amas).


  • Résumé

    This PhD thesis covers many features of fluid-particle interactions, ranging from a simple pendulum inmersed in a flow to the presence of superclusters of water droplets in a wind tunnel.The simplest case studied was a pendulum with a pendulum-blob facing the wind in the wind-tunnel. As the pendulum-blob was a plate, the aerodynamic coefficients as a function of the angle between the plate and the streamwise velocity present a non-trivial behavior, resulting in an hysteresis cycle. We also investigate the influence of turbulence on the equilibrium of the pendulum in general and on the observed bi-stability in particular.Then, different instabilities of towed systems has been studied. In chapter 4 we have seen that the wake of a sphere can produce helicoidal motion of a sphere towed by a wire. We found that there exists a particle Reynolds number Rep threshold for activating this unstable motion. A three-dimensional trajectory was reconstructed with an extremely simple experimental setup, used for characterizing the shape of particle's trajectory. In chapter 5 we investigate experimentally the equilibrium and the stability of the trajectory of a sphere towed at constant velocity in the wind tunnel at the tip of a cable with unprecedented large length-to-diameter aspect ratio. In thist chapter we study the instabilities developped in the wire for a laminar flow.Flutter and divergence instabilities has been found in this experiment.In chapter 6 the same system is studied, but the surrounding flow is turbulent. In this chapter we focus on a comparison with this towed system with freely advected particles in turbulence. Our results are consistent with a filtering scenario resulting from the viscous response time of an inertial particle whose dynamics is coupled to the surrounding fluid via the dragforce.Therefore, depending on several parameters such as the Reynolds number of the particle, the wire or the fluctuations level of the flow, a whole family of instabilities can appear, with no trivial dependencies and important consequences considering different applications of such systems.Concerning the collective effects, three different flows have been studied: a water tunnel, a von Karman flow and a wind tunnel. A broad range of Reynolds numbers, dissipation scales and particles diameters and densities has been covered. Using Voronoi diagrams, we have quantified preferential concentration as a function of the Stokes number and the Reynolds number. In chapter 7 and 8 simultaneous PIV measurements complemented the inertial particles acquisitions. The goal was to analyze if the particles tend to stick into special regions of the flow.In the last chapter also DNS have been performed for comparing with experimental results. A sweep-stick mechanism, in which inertial particles tend to have the same statistics as zero-acceleration points has been proved to be consistent with our results.Finally, a promising new technique has been presented. Based on the standard measurements, a spatial field has been reconstructed allowing us to acquire a several meters long image of particles. The enormous amount of structures present in the image has evidenced that the clusters are grouped at the same time in bigger clusters (i.e. clusters form clusters, that we call superclusters). This new result is still being studied and presents a new and fascinating field for studying particle-flow interactions.


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