Clustering of inertial sub-Kolmogorov particles : Structure of clusters and their dynamics
Encadrants
M. Alain Cartellier, directeur de rechercher au CNRS
M. Mickael Bourgoin, directeur de rechercher au CNRS (ENS Lyon, précédemment LEGI)
Résumé
Cette thèse étudie les phénomènes de concentration préférentielle et de sédimentation de particules inertielles transportées dans un écoulement turbulent. Pour cela, des expériences ont été menées en soufflerie dans une turbulence engendrée en aval d’une grille active et ensemencée avec des gouttelettes d’eau. La concentration préférentielle se manifeste par la ségrégation spatiale des particules qui bien qu’initialement ensemencée de façon homogène, tendent à se regrouper en amas, laissant en déplétion d’autres zones de l’écoulement. Un effort particulier a été consacré à séparer les mécanismes liés à l’inertie des particules, à la turbulence et aux effets collectifs impactant la formation des amas et modifiant la vitesse de sédimentation des particules. Quatre principaux paramètres non-dimensionnels ont été variés afin d’établir le rôle spécifique de chacun d’entre eux sur les processus de concentration préférentielle et de sédimentation : le nombre de Rouse Ro, représentant le rapport de la vitesse de sédimentation des particules à la vitesse fluctuante de l’écoulement ; le nombre de Stokes St quantifiant l’inertie des particules comme le rapport entre le temps de réponse des particules et le temps dissipatif de l’écoulement ; le nombre de Reynolds Re représentant le degré de turbulence et enfin la fraction volumique Phi de la phase dispersée.
Deux techniques expérimentales (suivi Lagrangien des particules et interférométrie à phase Doppler) ont été utilisées pour l’acquisition des données et pour le diagnostic de la concentration préférentielle et de la sédimentation des gouttelettes dispersées.
Le suivi Lagrangien de particules a été réalisé par visualisation à haute vitesse cadence des gouttelettes dispersées dans une nappe de laser. Cela donne accès aux statistiques simultanées de la distribution spatiale des particules et de leur vitesse. Le niveau de clustering a été quantifié à l’aide de tessélation de Voronoï. Nous établissons des lois d’échelles quantitatives caractérisant la dépendance du degré de clustering et de la géométrie des amas en fonction des paramètres de l’étude St, Re et Phi. Ces lois d’échelles indiquent une forte influence de Re et de Phi, mais un faible effet de St. Ce résultat est cohérent avec un rôle dominant du mécanisme « sweep-stick » comme origine de la concentration préférentielle, tel que proposé par Vassilicos. En outre, l’analyse conditionnelle des vitesses de sédimentation des particules en fonction de leur appartenance ou non à des amas montre que les zones à fortes concentration tendent à sédimenter plus rapidement que les zones peu concentrées, suggérant un possible rôle des effets collectifs dans l’augmentation de la vitesse de chute.
Les mesures par interférométrie de phase Doppler ont ensuite permis d’analyser plus en détail les statistiques de vitesse et de concentration de particules conditionnées à la taille des particules. Ces mesures montrent une augmentation de la vitesse de sédimentation pour les particules de petits diamètres, en accord avec des études précédentes. En revanche, la sédimentation est ralentie pour les particules de plus grand diamètre. Ceci indique une subtile intrication de plusieurs mécanismes possibles affectant la sédimentation turbulente de particules.