Étude numérique du dépôt de particules dans une couche limite avec un forçage turbulent dans la zone externe

Numerical investigation of particle deposition in a turbulent boundary layer with forced turbulence in the external flow

• Auteur / Autrice : Manoj Joishi
• Direction : Jean-Pierre Bellot, Jean-Sébastien Kroll-Rabotin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz) - Laboratoire d'excellence Design des Alliages Métalliques pour Allègement des Structures (Metz, Nancy ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Duval
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Bellot, Jean-Sébastien Kroll-Rabotin, Jochen Fröhlich, Nathalie Bardier-Monnier, Agathe Chouippe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Duval, Jochen Fröhlich

Mots clés

Mots clés contrôlés

Forçage hydrodynamique

Couche limite turbulente

Incrustations (dépôts)

Particules (physique)

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Simulation numérique directe

Dépôt

Couche limite turbulente

Forçage linéaire

DNS

Deposition

Turbulent boundary layer

Linear forcing

Résumé

Le dépôt de particules sur une paroi joue un rôle significatif dans les procédés polyphasiques fluide-solides, tels que la séparation inclusionnaire dans les poches d'acier liquide en métallurgie secondaire qui permettent de contrôler la propreté du métal avant solidification. L'objectif de ce travail est d'étudier le dépôt turbulent et la capture de particules sur une paroi, dans des situations où la turbulence au sein de la couche limite est produite à la fois par la contrainte pariétale et par les forces d'agitation du bain liquide loin de cette paroi. Les simulations sont mises en œuvre à l'échelle mésoscopique, en considérant des particules ponctuelles mais avec une turbulence complètement résolue. Un code de simulation maison a été développé, utilisant une méthode de Boltzmann sur réseau pour résoudre la dynamique de l'écoulement et en appliquant un forçage linéaire isotrope pour générer artificiellement la turbulence loin de la paroi. Le suivi lagrangien de particules permet enfin d'établir un couplage faible entre le mouvement des particules et l'écoulement turbulent. Ces techniques numériques ont été appliquées à la simulation directe d'une couche limite turbulente dans laquelle les particules de taille plus petite que l'échelle de Kolmogorov sont introduites. Les mécanismes de dépôt pour des aérosols ont été analysés et une loi statistique de vitesse de dépôt en fonction du nombre de Stokes a été extraite et comparée à la littérature. L'ensemble de ces simulations permet une meilleure compréhension des mécanismes de dépôt et de capture, en fonction de la turbulence du fluide au sein de la couche limite et des propriétés des particules. De plus, les résultats préliminaires obtenus pour des particules hydrosols, qui correspondent à des conditions qui prévalent pour des inclusions dans les poches d'acier liquide, ont montré que l'outil numérique peut être appliqué à l'étude quantitative de la capture inclusionnaire aux parois des réacteurs métallurgiques.

Deposition of particles on a wall plays a significant role in fluid-solid processes such as inclusions recovery from liquid steel in ladle furnace, that controls inclusion cleanliness upstream from solidification. The aim of this work is to study the turbulent deposition and capture of particles on a wall, in a situation where turbulence in the boundary layer originates both from wall shear and from agitation in the external flow. In a ladle furnace, such an agitation would result from bubble injection. A framework for simulations at mesoscopic scale in which particles are represented as points but the turbulence is fully resolved has been developped using an in-house solver, where a Lattice Boltzmann Method (LBM) solves flow dynamics and linear isotropic forcing generates artificial turbulence. Lagrangian Particle Tracking (LPT) is used to achieve one way coupling between particle motions and turbulent flow. These numerical methods were applied to Direct Numerical simulation (DNS) of a fully developed turbulent boundary layer in which particles smaller than the Kolmogorov length scale are introduced. The deposition mechanisms in aerosol conditions have been analyzed and quantified into a statistical law for deposition velocity in terms of Stokes number, and validated against data from the literature. Such simulations have provided a better understanding of deposition and capture mechanisms, depending on the turbulent flow in a wall boundary layer and on particle physical properties. Also, preliminary simulations in hydrosol conditions that match actual ladle operation have shown that the framework developed in this work can be applied to investigate inclusion behavior in secondary steel-making although statistical analysis in this work focused on aerosols.