Ecoulement d'une suspension dans une conduite : migration inertielle et transition vers la turbulence

Flow of a suspension in a pipe : inertial migration and transition to turbulence

• Auteur / Autrice : Jean-Philippe Matas
• Direction : Elisabeth Guazzelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Ecole Polytechnique Universitaire (Marseille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Écoulement laminaire

Résumé

Malgré son omniprésence dans les applications industrielles, l’´ecoulement dans une conduite reste mal compris d`es que des particules solides sont pr´esentes dans le système. Nous avons dans cette th`ese cherch´e `a caract´eriser l’´ecoulement d’une suspension dans des r´egimes o`u l’inertie n’´etait pas n´egligeable. La premi`ere partie aborde le probl`eme de la migration lat´erale d’une sph`ere rigide dans l’´ecoulement laminaire de Poiseuille. Nous avons exp´erimentalement observ´e comment le ph´enom`ene de migration lat´erale initialement mis en ´evidence par Segr´e et Silberberg (1962) ´evoluait lorsque le nombre de Reynolds ´etait augment´e jusqu’`a la transition vers la turbulence. Nous avons ainsi pu mettre en ´evidence l’apparition d’une seconde position d’´equilibre pour des nombres de Reynolds sup´erieurs `a 600. Les r´esultats exp´erimentaux ont ´et´e compar´es aux pr´edictions du calcul de la force lat´erale par une m´ethode de d´eveloppement asymptotique raccord´e. La deuxi`eme partie traite le probl`eme de l’influence de particules isodensit´e sur l’apparition de l’intermittence dans la conduite. Nous avons observ´e exp´erimentalement que les plus petites particules (Rep< 1) retardaient la transition en augmentant la viscosit´e effective, alors qu’il existait pour les particules telles que Rep> 1 une plage de concentration o`u la transition pouvait ˆetre avanc´ee. Nous avons propos´e une loi d’´echelle qui permet de ramener les r´esultats exp´erimentaux sur une courbe maˆıtresse.

Though present in many industrial situations, pipe flow of suspensions remains poorly understood. We have investigated in this work how this type of flow is impacted when inertia is not negligible. The first part presents the problem of the lateral migration of a rigid sphere in Poiseuille flow. We studied experimentally how the Segr´e and Silberberg migration (1962) was affected by inertia for Reynolds numbers up to the beginning of intermittency. We have observed that another radial equilibrium position exists for Re > 600. Experimental results were compared to the predictions of a method of matched asymptotic expansions. The second part is an invertigation of the influence of neutrally buoyant particles on the transition to intermittency. We observed experimentally that the smaller particles (Rep< 1) moved the transition to larger Reynolds numbers via an increase in the effective viscosity. For the particles such as Rep> 1, there is a range of concentration for which transition is moved to lower Reynolds numbers, and to larger Reynolds numbers above a critical volume fraction. We proposed a scaling law which collapses all data on a master curve.