Transient aspects of the polymer induced drag reduction phenomenon

par Anselmo Soeiro Pereira

Thèse de doctorat en Mécanique, Énergétique et Sciences des matériaux

Sous la direction de Gilmar Mompean et de Laurent Thais.

Soutenue le 29-11-2016

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique de Lille (LML) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Des aspects transitoires du phénomène de réduction de la traînée induite par des polymères


  • Résumé

    La dilution en faible concentration de chaînes polymériques longues dans un fluide newtonien peut réduire la traînée turbulente, phénomène nommé ici DR (drag reduction). Les polymères s’étirent et s’enroulent successivement, en interaction avec les structures turbulentes, imposant à DR un comportement transitoire. Il en résulte que la DR traverse trois stades. Lors du premier, la DR démarre à zéro et descend à des valeurs négatives en raison d’un étirement considérable du polymère au début du processus, ce qui exige de l’énergie de l’écoulement. Une fois atteint le niveau minimal de réduction de la traînée, les polymères commencent leur cycle d’étirement-enroulement et la DR augmente en réponse au développement de structures turbulentes, pour en arriver à une valeur maximale, menant au début du deuxième stade. Cependant, les polymères peuvent subir une dégradation mécanique à la suite d’un étirement polymérique intense. Lorsque la dégradation polymérique devient assez prononcée, la DR redescend pour atteindre une valeur finale qui indique que la dégradation s’est arrêtée. Le processus de dégradation polymérique caractérise le troisième stade. Dans le présent travail, ces trois stades sont examinés à l’aide de simulations numériques directes d’écoulements turbulents viscoélastiques FENE-P en géométries du type Poiseuille plan et Couette plan, sur un large éventail de nombres de Reynolds, de nombres de Weissenberg et d’extension maximale de la chaîne polymérique. Les deux premiers stades sont étudiés à partir des analyses tensorielle, énergétique et spectrale. Un nouveau modèle de dégradation polymérique est proposé afin de reproduire numériquement le stade final.


  • Résumé

    The addition of a small amount of polymers of high molecular weight can lead to a pressure drop decrease in turbulent flows. The polymers successively stretch and coil by interacting with the turbulent structures, which imposes a transient behaviour on the drag reduction (DR). As a result, DR undergoes three stages over time: A, B, and C. In stage A, DR departs from zero and assumes negative values due to a significant polymer stretching at the beginning of the process, which requires energy from the flow. After the minimum DR is reached, the polymers start their coil-stretch cycle and DR increases in response to the development of turbulent structures, achieving a maximum value, which makes for the beginning of stage B. However, during their coil-stretch cycle, polymers can be mechanically degraded as a result of an intense polymer stretching, which reduces their ability to act as energy exchange agents. Hence, when polymer degradation becomes pronounced, DR decreases until achieving a final value. The polymer degradation process characterizes the stage C. In the present work, numerical analyses are conducted aiming to investigate the stages A, B and C. The transient aspects of the polymer induced drag reduction phenomenon are explored with the aid of direct numerical simulations of turbulent plane Poiseulle and Couette flows of viscoelastic FENE-P fluids taking into account a large range of Reynolds number, Weissenberg number and maximum polymer molecule extensibility. Stages A and B are carefully studied from tensor, energy budget and spectral perspectives. A polymer scission model is developed in order to numerically reproduce the stage C.


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