Formation de dépôts limitée par l'hydrodynamique : étude expérimentale et numérique dans le cas d'un collecteur cylindrique

Formation of deposits limited by the hydrodynamics : experimental and numerical study in the case of a cylindrical collector

• Auteur / Autrice : David Lucien Robert Masson
• Direction : Jean-Bernard Guillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Filtration

Mots clés libres

Vélocimétrie par images de particules

Méthode de Boltzmann sur réseau

Résumé

Nous avons étudié le dépôt de particules non Browniennes sur un collecteur cylindrique en fonction du nombre de Reynolds. Les expériences ont été effectuées dans une cellule transparente permettant à la fois de visualiser la formation du dépôt et de mesurer la vitesse du fluide. Le collecteur est un cylindre de 10 mm de diamètre. La suspension a été préparée à partir d'une solution diluée de KCl et de particules de Rilsan®, granules ayant un diamètre moyen de 0,06 mm, de masse volumique très proche de celle de l'eau. La vitesse du liquide porteur a été mesurée en utilisant la vélocimétrie par images de particules (PIV). Les particules traceuses utilisées pour la PIV sont les particules de Rilsan elles-mêmes. Le tenseur des contraintes visqueuses et la contrainte de cisaillement exercés par le fluide à la surface du collecteur ou du dépôt ont été obtenus en dérivant les données de PIV. La formation du dépôt a été suivie pour des valeurs du nombre de Reynolds, variant de 15 à 90. Pour la plus petite valeur du nombre de Reynolds, la croissance du dépôt est principalement limitée par des avalanches, alors que la croissance du dépôt est limitée par l'érosion pour les plus grandes valeurs du nombre de Reynolds. Dans ce dernier cas après un régime transitoire, le dépôt atteint une forme stationnaire dont les caractéristiques dépendent de la valeur du nombre de Reynolds. Ainsi, la taille et la rugosité du dépôt diminuent à mesure que le nombre de Reynolds de l'écoulement augmente. La contrainte de cisaillement exercée par le fluide sur la surface du dépôt n'est pas uniquement fonction des forces de cohésion comme on pouvait s'y attendre mais dépend également du nombre de Reynolds. En effet, un examen attentif des réentraînements se produisant à la surface indique que les particules sont réentraînées principalement sous forme d'agrégats (plutôt qu'individuellement) et que la taille des agrégats réentraînés diminue à mesure que le nombre de Reynolds augmente.

We have studied the deposition of non-Brownian particles around a cylindrical collector when the particles are mainly submitted to hydrodynamic and weak cohesive effects. The experiments have been performed in a transparent cell allowing the visualization of the deposit formation and the fluid velocity measurement. The collector is a cylinder with a diameter of 10 mm. The suspension was prepared from a dilute solution of KCl and nonbuoyant Rilsan® particles, which consists of granules with a mean diameter of 0,06 mm. The fluid velocity has been measured using particle image velocimetry (PIV). The PIV tracer particles are the suspended Rilsan particles themselves. The viscous stress tensor and the wall shear stress exerted by the fluid on the deposit surface have been derived from the PIV data. The deposition has been followed for values of the Reynolds number, varying from 15 to 90. For the smaller value of the Reynolds number, the growth of the deposit is mainly limited by avalanches, while the growth of the deposit is limited by erosion for larger value of the Reynolds number. In the latter case, the deposit reaches a round hill like steady shape after a transient regime. Its characteristics depend on the value of the Reynolds number. In particular, its height and its roughness decreases as the Reynolds number of the flow increases. The wall shear stress exerted by the fluid on the deposit surface is not a function of the cohesion forces alone as expected but depends also on the Reynolds number.