Finite size particle transport in turbulent channel flow

par Wenchao Yu

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Marc Buffat et de Ivana Vinkovic.

Le président du jury était Nicolas Mordant.

Le jury était composé de Marc Buffat, Ivana Vinkovic, Jacek Pozorski.

Les rapporteurs étaient Romain Volk, Anne Tanière.

  • Titre traduit

    Transport de particules de taille finie par la turbulence de paroi


  • Résumé

    Le transport de particules solides par les écoulements turbulents près des parois est l'objet de nombreuses applications environnementales telles que les problèmes d'érosion, de dépôt ou de particules de sable en saltation. Malgré les progrès dans les techniques expérimentales et les simulations, des interrogations persistent dans la compréhension des mécanismes de transport des particules près de la paroi. Nombreuses études ont été consacrées à ce problème. Par simulationnumerique directe (DNS) couplée avec le suivi lagrangien de particules ponctuelles, Zamansky et al. (2011) ont trouvé que contrairement à ce qui est observé en turbulence homogène isotrope, près de la paroi les particules solides se concentrent de manière préférentielle dans les régions de forte RMS d'acceleration longitudinale. L'objectif de ce travail est de vérifier si cette observation est toujours vraie lorsque la taille des particules est prise en compte dans les simulations. Pour cela, un code pseudo-spectral de DNS est couplé avec une méthode de frontières immergées (Uhlmann, 2005). Le couplage est valide dans différents cas en 2D ou 3D d'obstacles fixes ou en déplacement. Un bon accord est atteint avec les résultats d'autres études expérimentales ou numériques. Ensuite, des particules de taille finie avec différents nombres de Stokes et densités sont suivies à chaque instant dans un écoulement de canal turbulent. Les statistiques de vitesse et d'accélération sont analysées. Un intérêt particulier est porté sur les PDF d'accélération des particules, du fluide et du fluide au voisinage des particules. Dans la mesure du possible, les résultats sont comparés à ceux obtenus par le suivi lagrangien de particules ponctuelles


  • Résumé

    Particle transport by turbulent wall flow is a crucial issue in many environmental problems such as erosion, particle deposition and sand saltation. Despite great technological advances in measurement techniques as well as in numerical simulations, the understanding of the transport mechanism close to the wall is still incomplete. Many numerical studies have been devoted to this issue. By direct numerical simulations (DNS) of a turbulent channel flow coupled with Lagrangian tracking of pointwise particles, Zamansky et al. (2011) found that contrary to what is observed in homogeneous isotropic turbulence, close to the wall pointwise particles cluster in regions of high streamwise RMS acceleration. The aim of the present study is to explore if this is still the case when size effects are taken into account in the DNS. Therefore, a pseudo-spectral DNS code is coupled with an immersed boundary technique (Uhlmann, 2005). The coupling is validated in the case of 2D and 3D moving and fixed bodies. Good agreement is achieved with other experimental and numerical studies. Then, finite-size particles with different Stokes numbers and density ratios are tracked at each time step in a turbulent channel flow. The velocity and acceleration statistics are analyzed. Particular attention is given to acceleration PDF of the solid phase, the fluid phase and the fluid in the vicinity of particles. The results are compared to the pointwise model

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