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2018 - Axe 1 - Modélisation numérique de l’écoulement de suspensions de fibres souples en régime inertiel

Thèse de Deepak Kunhappan

Financement : Labex Tec21

Collaboration : B. Hartong (3SR), B. Chareyre (3SR) et P. Dumont (LAMCOS)

Un modèle numérique décrivant le comportement de fibres souples en suspension dans un écoulement de fluide en régime inertiel a été développé au moyen d’un couplage entre la méthode des éléments discrets et la méthode des volumes finis. Chaque fibre est discrétisée en plusieurs éléments de type poutre permettant de prendre en compte une déformation (flexion, torsion, allongement) et un mouvement de corps rigide. Les équations du mouvement des fibres sont résolues au moyen d’un schéma explicite du second ordre (temps et espace). Le mouvement de la phase fluide est décrit par les équations de Navier-Stokes, qui sont discrétisées et résolues au moyen d’un schéma aux volumes finis non structurés, d’ordre 4 (temps et espace). Le couplage entre la phase solide (discrète) et la phase fluide (continue) est obtenue par une pseudo méthode IBM (Immersed Boundary Method) dans laquelle l’effort hydrodynamique est calculé analytiquement. Plusieurs modèles de force hydrodynamique issus de la littérature sont analysés et leur validité ainsi que leurs limites sont identifiées. Pour des nombres de Reynolds (Re) correspondant au régime inertiel (0.01 < Re < 100, Re défini à l’échelle de la fibre), des formulations non-linéaires de la force hydrodynamique exercée par un écoulement uniforme sur un cylindre infini sont utilisées. Le couplage a aussi été utilisé pour des fibres rigides en écoulement de Stokes, en utilisant l’expression de la force de traînée issue de la théorie des corps élancés (`slender body theory’). Une expression du moment hydrodynamique par unité de longueur est obtenu à partir de simulations numériques par volumes finis de l’écoulement autour d’un cylindre élancé.Le modèle développé a été validé par comparaison avec plusieurs résultats expérimentaux et analytiques, du régime de Stokes (pour des fibres rigides) jusqu’aux régimes inertiels. Dans le cas du régime de Stokes, des simulations numériques du cisaillement de suspensions de fibres semi-diluées ont été réalisées. Le modèle développé permet de capturer les interactions hydrodynamiques et non-hydrodynamiques entre les fibres. Les interactions élasto-hydrodynamiques pour $Re$ fini ont été validées dans deux cas. Dans le premier cas, la flèche d’une fibre encastrée-libre dans un écoulement uniforme a été obtenu par calcul numérique et le résultat validé par comparaison aux résultats expérimentaux de la littérature. Dans le second cas, la conformation de fibres élancées et très déformables dans un écoulement turbulent homogène et isotrope a été obtenu par calcul numérique et le résultat validé par comparaison aux résultats expérimentaux de la littérature. Deux études numériques ont été réalisées pour étudier l’effet de la présence de fibres en suspension sur la turbulence au sein du fluide suspensif. Le modèle numérique a permis de reproduire le phénomène de réduction/amplification de la turbulence dans un écoulement en canal ou en conduite, dû à l’évolution microstructurale de la phase fibreuse.

Publications

Peer-reviewed Publications

2017
Kunhappan, D., Harthong, B., Chareyre, B., Balarac, G., & Dumont, P. J. J. (2017). Numerical modeling of high aspect ratio flexible fibers in inertial flows. Physics of Fluids, 29(9), 093302.

Conference Proceedings

2016
Kunhappan, D., Dumont, P. J. J., Harthong, B., Balarac, G., & Chareyre, B. (2016). Numerical modelling of cellulose micro/nanofibril suspensions. In 24th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics. Montreal, Canada.

Ph.D. Theses

2018
Kunhappan, D. (2018). Numerical modeling of long flexible fibers in inertial flows. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, .