Dynamique de particules à flottabilité nulle dans un écoulement proche paroi normal

Near-wall dynamics of neutrally buoyant particles in a wall-normal flow

• Auteur / Autrice : Qing Li
• Direction : Jeffrey F. Morris, Micheline Abbas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Popinet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jeffrey F. Morris, Micheline Abbas, Jean-Philippe Matas, Patrick Anderson, Anne Mongruel, Georges Gauthier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Matas, Patrick Anderson
• DOI : 10.70675/de4c0c52z78faz424eza762z775857e7f41d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement diphasique

Hydrodynamique

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Écoulement de suspensions

Interactions hydrodynamiques

Rebond particule

Paroi

Effets inertiels

Simulation numérique

Suspension flow

Hydrodynamic interactions

Particle-wall rebound

Inertial effects

Numerical simulation

Résumé

Les suspensions rencontrées dans diverses applications d’ingénierie (telles que l’extraction de pétrole brut, l’élaboration d’aliments, de béton ou de produits cosmétiques) peuvent présenter une dynamique riche lorsqu’elles sont soumises à un écoulement dans des géométries complexes. Il est important de savoir prédire la réponse de ces matériaux hétérogène sous écoulement compte tenu des applications. Pour construire des modèles prédictifs, il est indispensable de comprendre les phénomènes à différentes échelles, dans diverses configurations telles que l’écoulement d’une dispersion solide-liquide dans un coude ou dans un canal en forme de T, le mélange de cette dispersion par un agitateur, etc. Les écoulements de suspension normaux à un obstacle ont reçu peu d’attention (le fluide porteur étant liquide). Dans ce contexte, nous avons examiné la dynamique des particules dans l’écoulement de Hiemenz (un écoulement de type couche limite incident à une paroi), à l’aide de simulations numériques. Nous nous sommes concentrés essentiellement sur une ou deux particules de même densité que le fluide, et de taille finie comparée à l’épaisseur de couche limite (les particules ont une inertie finie près de la paroi car elles sont forcées de s’arrêter à la paroi). Nous avons utilisé des simulations numériques directes afin de mesurer le glissement des particules par rapport à l’écoulement local, la force d’interaction de nature hydrodynamique ainsi que la perte d’énergie. Toutes ces quantités ont été déterminées en tant que fonctions uniques du rapport entre la taille des particules et l’épaisseur de la couche limite visqueuse. Les simulations ont mis en évidence que l’approche d’une particule vers la paroi, suivant l’axe de symétrie de l’écoulement, subit une transition d’un régime de ralentissement dominé par les effets visqueux à un régime de type rebond, cette transition prenant place pour une taille de particule O. Nous avons établi un modèle pour la force hydrodynamique exercée sur la particule s’approchant de la paroi et pour le coefficient de restitution en écoulement normal à la paroi. Pour deux particules identiques sur l’axe, certaines séparations conduisent à une collision de particules avant que la particule inférieure (la plus proche de la paroi) ne touche la paroi; l’échange de quantité de mouvement qui en résulte conduit à une vitesse d’impact supérieure à celle d’une particule particule isolée. Les simulations révèlent que la dynamique de la paire inclut un rebond sans contact de la particule inférieure avec la paroi, en raison de la mise à l’abri par la particule supérieure contre la tranée, permettant à la force de pression de dominer.

Two-phase suspensions encountered in various engineering applications(like crude oil extraction, elaboration of food, concrete or cosmetics), can exhibit rich dynamics when submitted to flow in complex geometries. Predicting the response of such heterogeneous material under flow is an important issue in view of applications. To build these predictive models, basic understanding of the dif- ferent scales is required for configurations such as pipe flow through an elbow or T-shape section, mixing a solid-liquid dispersion by a rotating impeller, etc. Suspension flows normal to an obstacle have seen limited attention with the carrier fluid being liquid phase. In this context, we examined particle dynamics in the well-known Hiemenz boundary-layer flow, with the aid of numerical simu- lations. We focused essentially on one or two neutrally buoyant particles, which are of finite size compared to the boundary layer thickness (particles have a finite inertia near the wall because they are forced to stop at the wall), and which are located at the symmetry axis of the flow. We used direct numerical simulations in order to measure the particle slip with respect to the local flow, the hydrodynamic force experienced by the particle and the energy loss during solvent-mediated particle-wall interaction. All these quantities were determined as unique functions of the ratio between the particle size and the thickness of the viscous boundary layer. When the particle size is increased, the simulations highlighted a transition of the particle dynamics from viscous damping to rebound, occurring for particle size O(). We established a model for the hydrodynamic force experienced by the incident particle, and for the restitution coefficient in wall-normal flow. For two identical particles on the axis, certain separations lead to particle collision before the lower (closer to wall) particle hits the wall; the resulting momentum exchange leads to larger impact velocity than for one particle. The simulations reveal that dynamics of the colliding pair includes unexpected rebound without contact with the wall for the lower of two particles, due to sheltering by the upper particle from drag allowing the pressure force to dominate.