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Ce travail de thèse est consacré à l'étude numérique et théorique de la modulation de la turbulence par des particules. Cette étude s'appuie sur des résultats issus de simulations de type Euler/Lagrange qui résolvent directement les équations instantanées de la phase gazeuse et effectuent un suivi de trajectoires des particules. La configuration étudiée représente une nappe de particules injectée à haute vitesse dans une turbulence homogène isotrope décroissante. Le mouvement des particules est supposé uniquement gouverné par la force de traînée visqueuse. Le chargement en particules est suffisamment important pour que les particules influent sur la phase gazeuse (couplage inverse) mais suffisamment faible pour pouvoir négliger les collisions interparticulaires. Le transfert de quantité de mouvement des particules vers le gaz cause une forte accélération du gaz au centre de la nappe. A la périphérie de la nappe, on constate une importante augmentation de la turbulence gazeuse principalement due aux termes de production par les gradients moyens de vitesse (effet indirect des particules). L'analyse des termes de transfert d'énergie cinétique entre phases montre que l'effet direct des particules est de détruire la turbulence au centre de la nappe et de l'augmenter à la périphérie. Ce dernier effet est causé par la forte corrélation entre la distribution de particules et la vitesse instantanée du gaz. Le modèle k-[ epsilon ] est ensuite étudié et la validité de ses hypothèses de fermeture en écoulement diphasique est éprouvée à l'aide de tests a priori. Une nouvelle formulation de type viscosité turbulente, fonction des paramètres diphasiques, est utilisée pour modéliser le tenseur de Reynolds du gaz. La modélisation du terme de couplage diphasique pour l'équation de taux de dissipation est remise en cause. Une équation de Langevin diphasique est également testée pour modéliser les équations de vitesse de dérive et de covariance des fluctuations de vitesse fluide-particules.
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UN MODELE DE SIMULATION POUR LA TRAJECTOIRE DES PARTICULES DANS UN ECOULEMENT TURBULENT A ETE ETABLI EN CONSIDERANT LES CORRELATIONS TEMPORELLES ET SPATIALES DU POINT DE VUE LAGRANGIEN. UNE METHODE DE MONTE CARLO A ETE UTILISEE POUR DETERMINER LES VALEURS ALEATOIRES DES PROPRIETES TURBULENTES. AU COURS DE LA CONSTRUCTION DES TRAJECTOIRES, LA VITESSE ET LA POSITION DE PARTICULES INDIVIDUELLES SONT OBTENUES A CHAQUE INSTANT. A PARTIR DE CELLES-CI, NOUS AVONS ETUDIE LES CARACTERISTIQUES DE LA DISPERSION D'UN ENSEMBLE DE PARTICULES DANS UN ECOULEMENT DE TURBULENCE DE GRILLE, PUIS CELLE DE PARTICULES PASSIVES ET REACTIVES DANS UN ECOULEMENT TURBULENT CISAILLE. LES RESULTATS DU CALCUL ONT ETE COMPARES A CEUX MESURES PAR EXPERIENCES CORRESPONDANTES. LA COMPLEXITE DU MECANISME DE LA TURBULENCE ET LE MANQUE DE CONNAISSANCES THEORIQUES ET DE DONNEES EXPERIMENTALES, A CONDUIT A FORMULER UN CERTAIN NOMBRE D'HYPOTHESES POUR PERMETTRE LE CALCUL. NOUS AVONS OBSERVE DE BONNES CONCORDANCES DE RESULTATS SIMULES PAR RAPPORT A CEUX MESURES. EN PARTICULIER, L'APPLICATION DE LA METHODE DE CALCUL MISE AU POINT AUX CAS DE LA CORRELATION LAGRANGIENNE ET DE L'EVAPORATION D'AEROSOL, FOURNIT UNE ALTERNATIVE INTERESSANTE AUX TECHNIQUES DU CALCUL GLOBAL GENERALEMENT UTILISES
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CE TRAVAIL EST AXE SUR LA SIMULATION NUMERIQUE DU TRANSPORT DE PARTICULES SOLIDES DANS UN ECOULEMENT TURBULENT D'AIR, AUTOUR D'UN OBSTACLE. LES SIMULATIONS SONT MENEES SUR LE LOGICIEL DE CALCUL PHOENICS (CODE VOLUMES FINIS). LA MODELISATION PHYSIQUE DES DIFFERENTS ECOULEMENTS DIPHASIQUES DILUES ETUDIES EST INSCRITE DANS L'APPROCHE MODELE A DEUX FLUIDES. LA TURBULENCE DE LA PHASE DISPERSEE EST SOIT DEFINIE PAR UN MODELE ALGEBRIQUE ISSU DE LA THEORIE DE TCHEN (NOTE P1), SOIT PRISE EN COMPTE PAR UN MODELE BASE SUR LA RESOLUTION DE L'EQUATION DE L'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE DES PARTICULES (NOTE P2). POUR L'AIR, LA TURBULENCE EST EVALUEE PAR LE MODELE DE CHEN ET KIM (NOTE A1), OU PAR LE MODELE DE SHIH ET A1. (NOTE A2). LES MODELES (A1 + P1), (A1 + P2), (A2 + P1), (A2 + P2) SONT TESTES SUR UN ECOULEMENT BIDIMENSIONNEL. L'EXPERIENCE DE REFERENCE EST CELLE DE FESSLER ET EATON, RELATIVE A UN ECOULEMENT DIPHASIQUE DILUE LE LONG D'UNE MARCHE DESCENDANTE VERTICALE (PARTICULES DE CUIVRE ET PARTICULES DE VERRE). POUR L'AIR, LES COMPARAISONS EXPERIENCE/CALCUL PORTENT SUR LE CHAMP DES VITESSES LONGITUDINALES ET TRANSVERSALES, ET SUR LA TURBULENCE (CONTRAINTES NORMALES LONGITUDINALES ET TRANSVERSALES). POUR LES PARTICULES EN CUIVRE, L'ETUDE PORTE SUR LES VITESSES TRANSVERSALES ET LA CONCENTRATION. ENFIN, DANS LE CAS DES PARTICULES DE VERRE, LES VITESSES LONGITUDINALES ET LES CONTRAINTES NORMALES LONGITUDINALES (TURBULENCE DES PARTICULES) SONT INTRODUITES. A L'ISSUE DES RESULTATS RELATIFS A LA PHASE DISPERSEE, L'EMPLOI D'UN MODELE DE TURBULENCE PLUS ADAPTE EST SOUHAITABLE (MODELE A CONTRAINTES DE REYNOLDS PARTICULAIRES). UNE VALIDATION TRIDIMENSIONNELLE EST ENSUITE ABORDEE. L'EXPERIENCE DE REFERENCE A ETE EFFECTUEE DANS LA VEINE ENVIRONNEMENT DU CSTB : UN NUAGE DE FINES PARTICULES DE SABLE EST CREE, ET VIENT FRAPPER UN CUBE DE HAUTEUR 1M. DURANT LA CAMPAGNE D'ESSAIS, DEUX TYPES DE MESURES ONT ETE EFFECTUEES : DETERMINATION DE LA MASSE DEPOSEE AUTOUR DE L'OBSTACLE, ET EVALUATION DE LA CONCENTRATION AERIENNE. L'ETUDE DES MODELES (A1 + P1), ET UNE APPROCHE SIMPLIFIEE DE LA DEPOSITION, MONTRENT QUE DES MODELES DE TURBULENCE PLUS ADAPTES SONT NECESSAIRES POUR L'AIR, AINSI QUE L'INTRODUCTION D'UNE MODELISATION PLUS POUSSEE DU PHENOMENE DE DEPOSITION.
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La capacité des parois rainurées ou Riblets à réduire la trainée turbulente a été bien démontrée dans les dernières années. Afin de mettre à jour la compréhension des mécanismes engendrés par un tel procédé passif, pour plus d'applications comme le transport et le traitement des eaux, une simulation numérique d'écoulement turbulent contrôlé par riblets est proposée. La simulation est implémentée via le code de calcul FLUENT. Une étude préliminaire est consacrée aux performances des modèles de turbulence à prédire le caractère de l'écoulement sur ce type de surface complexe. Une comparaison est alors présentée entre un modèle isotrope RKEM vs un modèle anisotrope RSM. Les résultats ont montré une meilleure prédiction des écoulements secondaires par le modèle RSM. Ce dernier est ensuite utilisé dans la deuxième étude abordant l'écoulement dans un canal en charge. Dans ce cas, l'effet de la position des riblets selon leurs espacements est discuté. Les parois rainurées à espacement régressif aboutissent à une augmentation d'efficacité de 1.4% comparée aux rainures à espacement uniforme.
Author: Patrick Rambaud (docteur en mécanique et énergétique).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 134
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Le comportement de particules solides dans un écoulement turbulent de gaz en canal est étudié par le biais de simulations numériques directes. La description mixte eulerienne et lagrangienne permet d'aborder la dispersion de petites particules solides à travers le calcul des temps intégraux de la turbulence v́ue ́le long de leurs trajectoires. Ces temps intégraux sont comparés aux estimations basées sur une corrélation semi-empirique issue de calculs directs dans le cas d'une turbulence homogène et isotrope. La comparaison révèle l'impossibilité d'utiliser la corrélation pour prédire la dispersion dans le sens de l'écoulement. Après ces considérations sur la dispersion, l'effet d'atténuation de ces mêmes particules solides sur la turbulence est aussi caractérisé. Les forces prises en compte sur les particules sont au moins la traînée non linéaire et la force de portance de Saffman toutes deux corrigées en proche paroi et utilisant une interpolation tridimensionnelle hermitienne.
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RAPPEL DES DIFFERENTES MODELISATIONS MATHEMATIQUES DE LA TURBULENCE BASEES SUR DEUX EQUATIONS DE TRANSPORT. MODELISATION, SOUS DEUX FORMES, DE L'ECOULEMENT TURBULENT AU VOISINAGE DES FRONTIERES SOLIDES: METHODE DITE DES "FONCTIONS DE PAROI" ET METHODE DITE DE "MODELISATION A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS". ETUDE DES METHODES AUX DIFFERENCES FINIES BASEES SUR UNE DISCRETISATION D'ESPACE A PAS VARIABLES ET DEUX TYPES DE SCHEMAS D'AVANCEMENT DANS LE TEMPS. APPLICATION AU CAS D'UN ECOULEMENT TURBULENT EN CONDUITE AVEC LES MODELES K-EPSILON "A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS" ET K-L::(N) (LONGUEUR DE MELANGE DE NIKURAKES). APPLICATION AU CAS D'UN ECOULEMENT TURBULENT EN CONDUITE EN PRESENCE D'UNE SINGULARITE REPRESENTEE PAR UN DIAPHRAGME
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SIMULATION NUMERIQUE DANS LE CADRE DE LA THEORIE LAGRANGIENNE. LA TRAJECTOIRE DE CHAQUE PARTICULE EST CONSTRUITE PAS A PAS PAR INTEGRATION DES EQUATIONS DE LA DYNAMIQUE ET DE LA CINEMATIQUE. SIMULATION DE LA DISPERSION DE PARTICULES FLUIDES DANS UN ECOULEMENT A TURBULENCE HOMOGENE ET ISOTROPE, PUIS DE LA DISPERSION DANS UNE TURBULENCE DE GRILLE, DE PARTICULES ETRANGERES AU FLUIDE DONT LA TAILLE EST INFERIEURE A LA PLUS PETITE ECHELLE DE TURBULENCE. CAS DE PARTICULES CHARGEES. ON ABORDE ENFIN LE CAS DE PARTICULES DE TAILLE SUPERIEURE A LA PLUS PETITE ECHELLE DE LA TURBULENCE, L'ECHELLE DE KOLMOGOROFF
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CE TRAVAIL PROPOSE UNE ETUDE NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT D'UN ECOULEMENT LIQUIDE TURBULENT CHARGE DE PARTICULES SOLIDES. LE CONTEXTE INDUSTRIEL EST CELUI DE L'ENCRASSEMENT PARTICULAIRE DES ECHANGEURS DE CHALEUR A PLAQUES. L'OBSERVATION VISUELLE AINSI QUE LES MESURES DE VELOCIMETRIE A L'INTERIEUR D'UNE MAQUETTE FONT APPARAITRE L'EXISTENCE DE STRUCTURES TOURBILLONNAIRES COHERENTES DE GRANDE DIMENSION ET CONFIRMENT LE LIEN ETROIT ENTRE LE DEPOT DE PARTICULES ET LA DYNAMIQUE DE L'ECOULEMENT. LES TOURBILLONS CONTRIBUENT A CREER DES ZONES PREFERENTIELLES DE CONTACT ENTRE PAROI ET PARTICULES ET FACONNENT LE DEPOT SELON UN MECANISME PRECIS. DEUX PROCESSUS D'ARRACHEMENT DU DEPOT ONT EGALEMENT ETE MIS EN EVIDENCE. LES PHENOMENES HYDRAULIQUES ET LES COMPORTEMENTS PARTICULAIRES MIS EN EVIDENCE DANS L'ETUDE EXPERIMENTALE SONT COMPARES A DES CAS TYPES DANS UNE ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE. UNE ETUDE NUMERIQUE BASEE SUR L'UTILISATION DU LOGICIEL TRIO - DEVELOPPE AU COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE, CEA PERMET DE COMPLETER L'ETUDE EN S'ATTACHANT A PREDIRE LE COMPORTEMENT DES PARTICULES, COUPLE DE FACON DYNAMIQUE A L'ECOULEMENT TURBULENT. L'APPROCHE EST BASEE SUR UN COUPLAGE ENTRE LA SIMULATION PSEUDO-DIRECTE DE L'ECOULEMENT TURBULENT ET UN MODELE LAGRANGIEN POUR LES TRAJECTOIRES DES PARTICULES. LES RESULTATS OBTENUS ONT PERMIS DE CONCLURE A UN BON ACCORD QUALITATIF ENTRE LES RESULTATS NUMERIQUES ET LES MESURES EXPERIMENTALES. LA DISPOSITION DU DEPOT SUR LA SURFACE DU CANAL EST GLOBALEMENT RETROUVEE PAR LA SIMULATION NUMERIQUE. L'INFLUENCE DE CERTAINS PARAMETRES SUR LE PHENOMENE D'ENCRASSEMENT COMME LE REGIME D'ECOULEMENT (RE=5000 OU RE=10000), LA DISPOSITION HORIZONTALE OU VERTICALE DU CANAL OU LE DIAMETRE DES PARTICULES (D#P=100 M OU D#P=25 M) A ETE ETUDIEE
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LA MISE EN EVIDENCE DE STRUCTURES COHERENTES DANS LES PETITES ECHELLES DES ECOULEMENTS TURBULENTS SUGGERE QUE DES MECANISMES SIMPLES (EN PARTICULIER LA CONCENTRATION DE LA VORTICITE ET L'ETIREMENT TOURBILLONNAIRE) JOUENT UN ROLE IMPORTANT DANS LES TRANSFERTS D'ENERGIE INTERNES A L'AGITATION TURBULENTE. NOUS NOUS SOMMES INTERESSES DANS UNE PREMIERE PARTIE AU PROCESSUS DE CREATION DE TELLES STRUCTURES A PARTIR DES RESULTATS DE SIMULATIONS NUMERIQUES DIRECTES DE TURBULENCE HOMOGENE ISOTROPE. LE SUIVI SPATIO-TEMPOREL DE NAPPES DE VORTICITE ISOLEES AU CUR DE L'ECOULEMENT TURBULENT SUGGERE QUE CELLES-CI PRODUISENT DES FILAMENTS DE VORTICITE PAR UN PROCESSUS DE CONCENTRATION DE LA VORTICITE SIMILAIRE A CELUI DECRIT PAR NEU A PARTIR DES MODELES DE NAPPE ET DE TOURBILLON DE BURGERS. LES SIGNATURES SPECTRALES DES STRUCTURES COHERENTES, ETABLIES A L'AIDE DE LA TRANSFORMATION EN ONDELETTES, SUGGERENT QUE LES FILAMENTS DE VORTICITE ONT UNE STRUCTURE PLUS PROCHE DU TOURBILLON DE BURGERS QUE DU TOURBILLON SPIRAL ET ETIRE DE LUNDGREN. L'EXTENSION DU MODELE ASYMPTOTIQUE DE NAPPE DE VORTICITE CONTRAINTE DE NEU AU CAS DIPHASIQUE MONTRE QUE DES PARTICULES ACCUMULEES SUR LA NAPPE ONT UN EFFET STABILISATEUR, ET S'OPPOSENT AINSI A LA CONCENTRATION DE LA VORTICITE. AINSI LES PARTICULES, QUI SONT SANS EFFET SUR LES TOURBILLONS DE GRANDE ECHELLE, POURRAIENT AVOIR UN EFFET NON NEGLIGEABLE SUR LES TRANSFERTS D'ENERGIE INTERNES A L'AGITATION TURBULENTE
Author: Olivier Vermorel
Author: SUN.. MOON
Author: SEBASTIEN.. LASLANDES
Author: Fairouz Belaid
Author: Patrick Rambaud (docteur en mécanique et énergétique).)
Author: Vincent Nicoullaud
Author: Jean-Marc Lacroix
Author: Alain Ormancey
Author: FREDERIC.. KOUIDRI
Author: Jean-Régis Angilella