Envol et transport de particules en couche limité turbulente instationnaire
par Michel-Ange Meunier
Thèse de doctorat en Génie mécanique et énergétique
Sous la direction de Bernard Baudoin.
Soutenue en 1999
à Valenciennes .
mots clés-
Résumé
Le travail présenté dans ce mémoire est consacré aux problèmes d'érosion éolienne des tas de stockage de matière première sur sites industriels. L'aspect instationnaire de l'écoulement est pris en compte. Les phénomènes d'envol et de transport de particules sont intimement liés aux fluctuations turbulentes résultant de structures cohérentes dans la zone pariétale. L'analyse spectrale d'une rafale de vent montre que les basses fréquences sont les composantes les plus énergétiques. Dans une soufflerie instationnaire (fréquence de pulsation 0,1 à 0,5 Hz), par mesures thermo-anémométriques les moments d'ordre 2, 3, 4 sont déterminés pour les fluctuations de la contrainte pariétale et de la vitesse longitudinale. En configuration stationnaire, les résultats sont en accord avec la littérature. Le paramètre caractéristique de l'instationnarité utilisé est l+s. Pour des valeurs de ce paramètre allant de 109 à 213, la turbulence réagit de façon similaire aux principaux résultats bibliographiques, mais pour des plages de l+s décalées. De plus, les mesures de la sonde mobile corroborent les mesures pariétales. En présence de particules modèles (sphériques), lors du processus de saltation, les investigations expérimentales sont menées par analyses d'images et pesées différentielles. En régime stationnaire, les flux massiques et évolutions des profils de concentration de particules sont en accord avec la littérature. Selon les cas, une décroissance temporelle est observée. Le profil de vitesse des particules est déterminé par PIV. En régime pulsé, une baisse des valeurs semble pouvoir être attribuée au retard de phase de la partie solide lie au rapport des temps caractéristiques des deux phases en présence.
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Titre traduit
Take off and transport of particles in unsteady turbulent boundary layer
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Résumé
This experimental study deals with particles laden wind generated above piles of materials in steelworks sites. Especially, unsteady aspect of the flow is taken into account. Take-off and transport processes are connected with turbulent fluctuations which result of coherent structures in the near wall region. Gust analysis shows predominance of low frequencies in the energy spectrum. Hot wires gauges are used in a pulsating wind channel (frequency from 0. 1 to 0. 5 Hz) in order to measure the 2nd, 3rd or 4th mode, results are in good agreement with literature. ʪ+ is the main parameter to characterize pulsating flows. For ʪ+ values from 109 to 213, turbulence reacts in the same way as reported in others studies but with different ranges. Moreover, turbulence characteristics measured from static wall jauge are the same as those obtained with jauge mounted on a traversing mechanism. Spherical particles laden flow shows a saltation process. Experimental investigations consist on images processing and weighting method. In stationary mode, mass flux and slope of particles concentration profiles are in good agreement with literature. According to velocities values, a temporal decay of the two previous parameters is observed. Particles velocities profiles are determined by cross-correlation processing. In pulsating flow, mass flux mean values decrease, which could be attributed to the phase shift between solid and fluid phases. This behaviour seems to depend on the ratio of characteristic times of both phases. Moments of the longitudinal wall shear stress and velocity fluctuations. In stationary stationary mode, mass flux and slope of particles concentration profiles are in good agreement with literature. According to velocities values, a temporal decay of the two previous parameters is observed. Particles velocities profiles are determined by cross-correlation processing. In pulsating flow, mass flux mean values decrease, which could be attributed to the phase shift between solid and fluid phases. This behaviour seems to depend on the ratio of characteristic times of both phases.
