Sédimentation des particules dans les écoulements calmes et turbulents. Des conditions du sol à la microgravité

Settling of particles in quiescent and turbulent flows. From ground conditions to micro-gravity

• Auteur / Autrice : Facundo Ezequiel Cabrera
• Direction : Mickaël Bourgoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Ern
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mickaël Bourgoin, Patricia Ern, Filippo Coletti, Markus Uhlmann, Raúl Bayoán Cal, Aurore Naso, Nicolas Plihon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Filippo Coletti, Markus Uhlmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gravité réduite

Mots clés libres

Tour de chute

Flux chargés de particules

Micro gravité

Turbulence homogène et isotrope

Particules non sphériques

Instabilités de sillage

Drop tower

Particle laden flow

Micro gravity

Homogeneous and isotropic turbulence

Non-spherical particles

Wake instabilities

Résumé

Cette thèse s’intéresse à des études expérimentales aux couplages entre particules inertielles et un fluide environnant dans deux configurations principales: fluide au repos et écoulement turbulent. De plus, une technique expérimentale innovante permettant de piloter à la demande la gravité effective agissant sur des particules magnétiques, via l'application de champs magnétiques externes, a été développée, validée et appliquée afin de séparer les effets inertiels des effets gravitaires. Pour des particules aimantées de 1 mm de diamètres, cette méthode permet de simuler n'importe quelle valeur de gravité effective comprise entre 0,5 g et g. Cela permet d'ajuster les valeurs du nombre de Galilée et donc le régime de sédimentation. Ceci offre une nouvelle approche pour des explorations systématiques des propriétés d'interactions particules/fluides. En parallèle, un dispositif expérimental répondant aux contraintes de la Dryden Drop Tower (USA) a été conçu pour explorer les interactions particules/turbulence en conditions de microgravité.Plus précisément, les études en fluide au repos peuvent être divisées en deux sous-catégories: limite des nombre de Reynolds très bas et cas des nombres de Reynolds modérés (environ 100-450). Dans le cas des faibles nombre de Reynolds, la dynamique angulaire et translationnelle de la fibres métalliques en sédimentation a été mesurée en vue de tester expérimentalement deux modèles couramment utilisés incluant les effets de l'inertie du fluide. Pour le cas des nombres de Reynolds modérés, la sédimentation des particules sphériques et cubiques dans un fluide au repos a été mesurée sur une vaste gamme de l'espace des paramètres. Ceci a permis de valider et compléter des résultats numériques de la littérature prédisant différents régimes de trajectoire (oblique, oscillant, etc.). De plus, la nouvelle stratégie utilisant des champs magnétiques externes sur des particules magnétisées a été développée et validée montre la possibilité de modifier la gravité effective agissant sur les particules.Enfin, les études en écoulement turbulent peuvent également être divisées en deux sous-catégories: les expériences au sol et les expériences en micro-gravité dans la tour de chute. Le même écoulement turbulent est utilisé pour les deux sous-catégories: il consiste en un cylindre rempli d’eau au sein duquel des pompes se faisant face engendrent deux jets s’impactant au centre pour produire un écoulement turbulent relativement homogène et isotrope avec une gamme d'échelles inertielles bien définie. Dans le cas des expériences au sol, la dynamique de particules magnétiques a été systématiquement caractérisée en fonction de la gravité effective imposée. L'objectif est ici de démêler le rôle jouer par les nombres de Rouse (effets de la sédimentation comparés à la turbulence) et de Stokes (inertie des particules par rapport à la turbulence) sur les interactions particule/turbulence. Ces expériences montrent notamment que la gravité effective impacte l’effet de la turbulence sur la réduction ou l'augmentation de la vitesse de chute des particules. En parallèle, une nouvelle installation a été construite pour étudier des suspensions diluées de particules inertielles non magnétiques en turbulence en microgravité, dans la tour de chute à Portland (USA). En raison des pandémies de Covid19, les campagnes expérimentales dans la tour de chute n'ont pu être menées pendant la thèse et devraient démarrer d'ici la fin 2021.

This thesis presents experimental studies of single inertial particles in two main water fluid configurations: Quiescent Flow and Turbulent Flow. Furthermore, an experimental technique to modify the local gravity pull on magnetic particles, via the application of external magnetic fields, has been developed, validated, and applied to some cases on both fluid configurations. For the 1 mm spherical magnets here utilised, this method allows to reach any value of effective gravity between 0.5g and g. This allows to tune on demand, within a certain range, the Galileo number (and hence the settling regime) of particles in quiescent flow and to vary in the turbulent case their Rouse number independently of Stokes and/or Reynolds numbers, offering a novel approach for systematic explorations of particle/fluid interactions properties. In parallel, an experimental device that fulfils the constraints of the Dryden Drop Tower in Portland State University (USA) was designed to explore particle/turbulence interactions in micro-gravity (0-g) conditions. In particular, the Quiescent Flow studies can be split in two subcategories: Creeping Flow and Moderate Reynolds Number (around 200-450) Flow. In the Quiescent Creeping Flow case, the angular and translational dynamics of single slender metallic rods settling were measured to experimentally validate two widely used models that include fluid inertia: slender rod model and slender body theory. Whereas in the Moderate Reynolds case, the settling of spherical and cubic particles in otherwise quiescent fluids were measured in wide ranges of the parameters space (particle-to-fluid density ratio and Galileo number). In this way, numerical results predicting the different path regimes (rectilinear, oblique, oscillating, chaotic, etc.) in the parameters space were contrasted with the experimental results. Additionally, a new strategy using external magnetic fields on magnetised particles was developed to modify the effective gravitational pull on the spherical. The possibility to magnetically tune the effective Galileo number was demonstrated, hence allowing to explore on demand the different regions of the parameters space and therefore of particle settling regimes Finally, the Turbulent Flow studies can be split in two subcategories as well: Ground Experiments (eventually with magnetic control of the effective gravity) and Drop Tower Experiments. The same turbulent flow is utilised for both subcategories: it consists in a cylinder with water pumps at top and bottom, whose jets collide in the tank center to produce, to a good approximation, an homogeneous and isotropic turbulent flow with a well defined inertial range. In the Ground Case, the motion of single magnetic particles is tracked while the effective gravity pull is magnetically modified. The goal is to disentangle the role of Rouse and Stokes numbers on particle/turbulence interactions. Our experiments show in particular that the magnetic control of the effective gravity (hence of the Rouse number) impacts the hindering/increase of settling velocity in turbulent conditions compared to the quiescent fluid case. In parallel, a novel facility was constructed to investigate diluted suspensions of non-magnetic inertial particles (50 um glass, among others) in turbulence in micro-gravity in the Dryden Drop Tower. Due to the Covid19 pandemics, experimental campaigns in the drop tower could not be run during the thesis and are scheduled to start by the end of 2021.