Contribution à l'étude des collisions entre particules et des interactions particules-parois en écoulement gaz-solide, par voie expérimentale et simulation lagrangienne PDF Download
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L'objectif de ce travail est d'apporter une contribution tant expérimentale que numérique à l'étude des phénomènes de collisions entre particules en écoulement gaz-solide. La simulation numérique est effectuée à l'aide d'une technique lagrangienne de suivi des particules complétée par une méthode probabiliste pour tenir compte des collisions entre celles-ci. Le premier chapitre est consacré à une revue bibliographique sur les problèmes de collisions entre particules et sur les interactions particules-parois dont le rôle est également important en écoulement en conduite. Le deuxième chapitre présente l'élaboration d'un dispositif expérimental original, permettant l'étude d'un écoulement gaz-solide en conduite où les effets des collisions entre particules sont prépondérants. Le troisième chapitre expose ensuite la technique photographique de visualisation employée et la méthode d'analyse d'images qui lui est associée. Les résultats expérimentaux (chapitre IV) obtenus pour deux débits massiques en particules de verre, sphériques, de 3mm de diamètre, montrent l'influence des collisions entre particules sur l'évolution des caractéristiques de l'écoulement (profils de vitesses et de concentration). Cette partie expérimentale est complétée par la mesure des caractéristiques des contacts particules-parois (coefficients de restitution et de frottement, paramètre de rugosité) pour les particules et le type de paroi utilisés. L'étude de l'influence respective de chacun des paramètres intervenant dans les modélisations des interactions particules-parois et des collisions entre particules est réalisée au chapitre V. La confrontation des résultats expérimentaux et numériques (chapitre VI), où l'on fait évoluer les paramètres les plus influents, permet de confirmer la pertinence de l'utilisation du modèle probabiliste introduit dans la simulation lagrangienne. Cependant, bien qu'une amélioration ait été apportée au modèle probabiliste, il reste nécessaire de perfectionner l'expression de la fréquence de collisions utilisée. En outre, la modélisation de la legère non-sphéricité des particules devrait également permettre de meilleures prédictions.
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L'objectif de ce travail est d'apporter une contribution tant expérimentale que numérique à l'étude des phénomènes de collisions entre particules en écoulement gaz-solide. La simulation numérique est effectuée à l'aide d'une technique lagrangienne de suivi des particules complétée par une méthode probabiliste pour tenir compte des collisions entre celles-ci. Le premier chapitre est consacré à une revue bibliographique sur les problèmes de collisions entre particules et sur les interactions particules-parois dont le rôle est également important en écoulement en conduite. Le deuxième chapitre présente l'élaboration d'un dispositif expérimental original, permettant l'étude d'un écoulement gaz-solide en conduite où les effets des collisions entre particules sont prépondérants. Le troisième chapitre expose ensuite la technique photographique de visualisation employée et la méthode d'analyse d'images qui lui est associée. Les résultats expérimentaux (chapitre IV) obtenus pour deux débits massiques en particules de verre, sphériques, de 3mm de diamètre, montrent l'influence des collisions entre particules sur l'évolution des caractéristiques de l'écoulement (profils de vitesses et de concentration). Cette partie expérimentale est complétée par la mesure des caractéristiques des contacts particules-parois (coefficients de restitution et de frottement, paramètre de rugosité) pour les particules et le type de paroi utilisés. L'étude de l'influence respective de chacun des paramètres intervenant dans les modélisations des interactions particules-parois et des collisions entre particules est réalisée au chapitre V. La confrontation des résultats expérimentaux et numériques (chapitre VI), où l'on fait évoluer les paramètres les plus influents, permet de confirmer la pertinence de l'utilisation du modèle probabiliste introduit dans la simulation lagrangienne. Cependant, bien qu'une amélioration ait été apportée au modèle probabiliste, il reste nécessaire de perfectionner l'expression de la fréquence de collisions utilisée. En outre, la modélisation de la legère non-sphéricité des particules devrait également permettre de meilleures prédictions.
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DANS LE BUT D'APPORTER UNE CONTRIBUTION AUX TECHNIQUES DE PREDICTION DES ECOULEMENTS GAZ-SOLIDE PAR SIMULATION LAGRANGIENNE, ON SE PROPOSE DE SIMULER LE TRANSPORT DE PARTICULES SPHERIQUES EN SUSPENSION DANS L'AIR, EN S'ATTACHANT PLUS PARTICULIEREMENT A TENIR COMPTE DES INTERACTIONS ENTRE PARTICULES. UN PREMIER CHAPITRE EST CONSACRE A LA DESCRIPTION DETAILLEE DU CALCUL D'UNE TRAJECTOIRE EN FAISANT UNE REVUE BIBLIOGRAPHIQUE PORTANT SUR LES ACTIONS DU FLUIDE SUR LES PARTICULES, ET SUR LA MODELISATION DES INTERACTIONS PARTICULES-PAROI. QUANT AUX INTERACTIONS, OU COLLISIONS, ENTRE PARTICULES, ELLES SONT INTRODUITES, PAR UNE METHODE PROBABILISTE ORIGINALE, DANS LES CALCULS DE TRAJECTOIRES D'UNE SIMULATION LAGRANGIENNE. LA VALIDATION DU CODE DE SIMULATION REALISE EST EFFECTUEE PAR COMPARAISON DES PROFILS DE CONCENTRATION ET DE VITESSE, ET DE L'EVOLUTION DE LA PRESSION LE LONG D'UN CIRCUIT, AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX CONNUS. UNE ETUDE PARAMETRIQUE APPROFONDIE DEMONTRE L'INFLUENCE PREPONDERANTE DES PHENOMENES DE PAROI, AINSI QUE DES GRANDEURS CARACTERISTIQUES DES COLLISIONS, EN PARTICULIER SUR L'EVOLUTION DE LA PRESSION. LA DISCUSSION DES RESULTATS PERMET DE CONCLURE SUR LA DIFFICULTE DE LA PREVISION DES PERTES DE CHARGE SI L'ON NE DISPOSE PAS D'INFORMATIONS PRECISES SUR CES DIFFERENTS PARAMETRES
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L'INFLUENCE D'UNE TURBULENCE HOMOGENE D'AIR ET DE COLLISIONS BINAIRES SUR LE COMPORTEMENT MACROSCOPIQUE D'UN NUAGE DE PARTICULES SOLIDES MONODISPERSEES, EST ETUDIEE A PARTIR DE SIMULATIONS NUMERIQUES DES GRANDES ECHELLES (LES), DU SUIVI LAGRANGIEN DES PARTICULES ET DU TRAITEMENT DIRECT DES CHOCS. LE DOMAINE DE CALCUL EST 3D PERIODIQUE DANS LEQUEL SEULE UNE FORCE DE TRAINEE VISQUEUSE S'EXERCE DU FLUIDE SUR LES PARTICULES. LE DIAMETRE, LA DENSITE ET LA FRACTION VOLUMIQUE DE LA PHASE DISPERSEE VARIENT, D'UNE SIMULATION A L'AUTRE, POUR REPRODUIRE DIFFERENTS TEMPS DE RELAXATION PARTICULAIRE ET TEMPS DE COLLISION. LES EQUATIONS EULERIENNES DES GRANDEURS MACROSCOPIQUES LIEES A LA PHASE DISPERSEE, SONT OBTENUES A PARTIR D'UNE DESCRIPTION MICROSCOPIQUE DE TRANSPORT, DE TYPE BOLTZMANN, SUR LA DISTRIBUTION JOINTE FLUIDE-PARTICULES. CE FORMALISME PERMET DE RELIER LES CORRELATIONS FLUIDE-PARTICULES, DANS LES TERMES DE TRANSFERTS INTERFACIAUX, A LA MODELISATION, DANS L'EQUATION DE BOLTZMANN, DE LA DERIVEE LAGRANGIENNE DU FLUIDE DE LONG DES TRAJECTOIRES PARTICULAIRES, ICI DECRITE PAR UN PROCESSUS DE TYPE LANGEVIN. SE PRESENTANT COMME UNE EXTENSION DU FORMALISME DE LA THEORIE CINETIQUE DES MILIEUX GRANULAIRES, IL PERMET EN OUTRE L'ECRITURE DES TERMES COLLISIONNELS. POUR CELA, L'HYPOTHESE CLASSIQUE DU CHAOS MOLECULAIRE EST ETENDUE A LA PRISE EN COMPTE DE LA CORRELATION, PAR LE FLUIDE, DES VITESSES DES PARTICULES AU MOMENT DES CHOCS. UNE FORME PRESUMEE DE LA FONCTION DE DISTRIBUTION FLUIDE-PARTICULES, EN REGIME ISOTROPE PUIS QUELCONQUE, PERMET DE CALCULER LES TERMES COLLISIONNELS. LA VALIDATION DU MODELE EST EFFECTUEE A PARTIR DE SIMULATIONS EN TURBULENCE ISOTROPE STATIONNAIRE OU SIMPLEMENT CISAILLEE. DANS LE PREMIER CAS, L'ANALYSE PORTE SUR LA PREDICTION DES FONCTIONS DE DISTRIBUTIONS, DU TEMPS DE COLLISION, DES ENERGIES ET DU COEFFICIENT DE DISPERSION. EN CISAILLEMENT SIMPLE, L'ACCENT EST MIS SUR L'EVOLUTION DES CORRELATIONS FLUIDE-PARTICULES ET DES CONTRAINTES CINETIQUES.
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.
Author: Anna Chtab Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 110
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Ce travail de thèse est consacré à l’étude numérique des écoulements turbulents gaz-solide à grand nombre de Reynolds. Deux types de problème sont considérés: 1) écoulement dans un canal avec des particules relativement lourdes où l’influence des collisions inter-particulaires est importante; 2) dynamique d'une particule légère dans une turbulence homogène stationnaire où les effets d’intermittence modifient fortement la statistique lagrangienne. La simulation numérique a été effectué dans le cadre d’une approche de type LES combinée avec un nouveau formalisme pour la dynamique des particules. Dans le premier cas, une description lagrangienne simplifiée avec la prise en compte des collisions inter-particulaires de manière effective a été proposée. Notamment, la phase dispersée est représentée sous forme de particules «hypothétiques». Ces particules se déplacent le long des trajectoires lisses moyennées sur toutes leurs collisions. Pour examiner cette approche, les comparaisons avec les travaux expérimentaux ont été réalisées. Les effets observés dans les expériences ont été reproduits dans un temps de CPU considérablement réduit par rapport aux modélisations des autres auteurs. Pour le deuxième problème, un nouveau modèle à sous-maille d’interaction particule/turbulence intermittente a été appliquée aux échelles non-résolues par LES. En accord avec les mesures lagrangiennes des statistiques de la particule, les résultats obtenus sont les suivants : la fonction d’autocorrélation et le spectre confirment la prédiction de Kolmogorov 41, la vitesse suit une distribution gaussienne. Dans le même temps, le comportement non-gaussien (pdf de type «ailes étirées») des distributions d'incréments de vitesse aux petits écarts temporels a été observé.
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L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL EST D'AMELIORER LA COMPREHENSION ET LA MODELISATION DES ECOULEMENTS DIPHASIQUES GAZ-SOLIDE EN CANAL VERTICAL, A PARTIR DE SIMULATIONS NUMERIQUES. DEUX METHODES DE CALCUL SONT UTILISEES : UNE APPROCHE LAGRANGIENNE (SUIVI INDEPENDANT DE LA TRAJECTOIRE DE CHAQUE PARTICULE) ET UNE APPROCHE EULERIENNE D'ORDRE 2 (RESOLUTION DIRECTE D'EQUATIONS SUR LA CONCENTRATION, LA VITESSE MOYENNE ET LES CONTRAINTES CINETIQUES). LA MISE EN EQUATIONS EULERIENNES DU MOUVEMENT DES PARTICULES (EQUATIONS D'EVOLUTION ET CONDITIONS LIMITES) EST OBTENUE PAR UNE METHODE DE TYPE CINETIQUE DES GAZ (AVEC PRISE EN COMPTE DE LA ROTATION). LES CARACTERISTIQUES DE LA PHASE DISPERSEE SONT CHOISIES DE TELLE SORTE QUE L'INFLUENCE DE LA TURBULENCE DU FLUIDE SUR LES PARTICULES SOIT NEGLIGEABLE, DE MEME QUE CELLE DES PARTICULES SUR LE FLUIDE. LES SIMULATIONS LAGRANGIENNES SONT UTILISEES POUR ANALYSER FINEMENT LES DIFFERENTS MECANISMES DE L'ECOULEMENT : INTERACTION FLUIDE/PARTICULE, COLLISIONS PARTICULE/PARTICULE, REBONDS CONTRE LA PAROI. LES EFFETS DE LA ROTATION, DU FROTTEMENT ENTRE PARTICULES ET DE LA PORTANCE SONT AUSSI ETUDIES. PARALLELEMENT, CES RESULTATS DE SIMULATION SERVENT A VALIDER INDEPENDAMMENT CHACUNE DES HYPOTHESES NECESSAIRES A L'ETABLISSEMENT DU MODELE EULERIEN ET A EVALUER EXACTEMENT L'ERREUR QU'ELLES APPORTENT. LES LOIS DE FERMETURE CLASSIQUES SONT TESTEES (CONDITIONS LIMITES, TRAINEE, COLLISIONS, DISPERSION DES CONTRAINTES), ET DES MODIFICATIONS SONT EVENTUELLEMENT PROPOSEES ET VALIDEES. ENFIN, LA COMPARAISON DIRECTE DES PROFILS OBTENUS PAR LES METHODES EULERIENNE ET LAGRANGIENNE PERMET DE TESTER LE MODELE EULERIEN COMPLET ET DE DISCUTER DE SON DOMAINE DE VALIDITE.
Author: Mohamed Ali Mergheni Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 150
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Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre des études sur les écoulements turbulents gaz-solide et porte sur une étude numérique et une étude expérimentale de jets ronds coaxiaux diphasiques où le rapport des vitesses entre les jets externe et interne est supérieur et inférieur à un. Le but est de contribuer à la caractérisation des interactions entre la phase porteuse gazeuse et la phase dispersée et leur effet sur la modification de l'écoulement porteur. Le premier travail s'appuie sur une simulation de type Eulérienne / Lagrangienne qui résout les équations moyennées de Navier Stokes par la méthode des volumes finis. La turbulence du fluide est traitée par le modèle k-E standard. Le traitement de la phase dispersée consiste à un suivi Lagrangien de particules au sein de l'écoulement d'air. Le chargement en particules est suffisamment important pour que les particules influent sur la phase gazeuse (couplage) mais suffisamment faible pour pouvoir négliger les collisions interparticulaires. Le second travail consiste à réaliser un dispositif expérimental de jet gazeux ensemencé de particules solides (dp=100-212γm) issu d'un injecteur coaxial. L'écoulement diphasique est obtenu en utilisant un système d'ensemencement de particules assurant une injection régulière et homogène des particules dans le jet central. L'originalité de l'expérience consiste à mesurer simultanément les vitesses des particules et du fluide par une méthode optique non intrusive afin d'analyser le couplage entre deux phases. Ces résultats ont été obtenus à l'aide d'une chaîne de mesures optique PDA (Phase Doppler Anémométrie). L'analyse des caractéristiques dynamiques du fluide diphasique dans la zone proche de l'injecteur coaxial met en évidence que la vitesse de l'écoulement chargé est inférieure à la vitesse du fluide sans particules et que la présence des particules amplifie la turbulence du fluide lorsque la vitesse du jet centrale est supérieure à la vitesse du jet annulaire (ru>1). Ainsi, on note un décalage du pic de turbulence vers l'intérieur du jet central. Plus loin la vitesse moyenne du fluide en présence de particules devient supérieure à celle du jet monophasique à cause des transferts de quantité de mouvement des particules vers le fluide et on remarque une atténuation de la turbulence. Par contre, lorsque la vitesse du jet annulaire est supérieure à la vitesse du jet central (ru1) on remarque une atténuation de la turbulence par la présence des particules et un décalage du pic de turbulence vers l'extérieur du jet central. On peut dire que la présence de particules solides permet à la turbulence de s'installer plus rapidement au sein du fluide pour ru1. Lorsque ru1, les particules ont tendance à calmer l'écoulement. Pour examiner l'approche numérique, les comparaisons avec mes travaux expérimentaux ont été réalisés. Les effets observés dans la partie expérimentale ont été reproduits dans deux cas différents (ru1 et ru
Author: Micheline Abbas Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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Ce travail aborde, à l'aide de simulations Lagrangiennes, la description du comportement rhéophysique d'une suspension de particules solides sphériques en écoulement cisaillé. Les effets de l’inertie du fluide, de l'agitation Brownienne et de la gravité sont négligés. Les suspensions étudiées sont classées en deux grandes familles, en fonction de l'inertie de la phase dispersée caractérisée par le nombre de Stokes. A très petit nombre de Stokes, les suspensions sont de type liquide-solide où le fluide est très visqueux. Le modèle de simulation "Force Coupling Method" est utilisée pour simuler les interactions hydrodynamiques qui contrôlent la dynamique de ces suspensions. Cette méthode se base sur un développement multipolaire de la perturbation de vitesse induite par la présence des particules dans le fluide porteur. L'évolution de quantités macroscopiques en fonction de la fraction volumique du solide [φ=1-20%] est analysée dans des suspensions monodisperses. Les résultats (fluctuations de vitesse, auto-diffusion, auto-corrélation des vitesses et distribution spatiale de paires de particules...) confortent les tendances observées dans plusieurs études de la littérature. Nous montrons que l’agitation des particules induit un comportement diffusif dont l’intensité est une fonction croissante de la concentration. Le niveau d’agitation mais aussi le temps de diffusion augmentent lorsque les interactions multi-corps contrôlent la dynamique de la suspension. Les effets de lubrification associés à des particules proches du contact sont résolus précisément. Ceci permet d'utiliser la FCM pour simuler des suspensions de concentration plus élevée (allant jusqu'à 35%), et de quantifier leur viscosité effective. Le modèle de simulation est étendu aux cas de suspensions bidisperses. L'impact de la variation du rapport de taille ou de concentration sur les statistiques (des deux espèces) est examiné pour une fraction volumique constante de la phase dispersée. Pour un rapport de concentration fixe, nous avons trouvé qu'un rapport de taille croissant entraîne une augmentation (resp. diminution) du niveau de fluctuation des petites (resp. grosses) particules. Quand le rapport de taille et la concentration totale sont fixes, l'augmentation du nombre de grosses particules entraîne l'augmentation du taux de fluctuation et de la diffusion des deux espèces. Les suspensions caractérisées par un nombre de Stokes modéré ou grand sont en général de type gaz-solide. Un modèle de simulation basé sur l’intégration des trajectoires de particules assimilées à des sphères dures est utilisé pour simuler la dynamique de la suspension. Le mouvement des particules est uniquement contrôlé par les collisions et par la force de traînée sur une particule isolée. Les simulations montrent que les propriétés de la suspension dépendent fortement de l'inertie des particules et de la concentration. La variation du nombre de Stokes de 1 à 10 induit une augmentation de l'agitation des particules de trois ordres de grandeur, et une évolution de la distribution de vitesse d'une forme très piquée (proche d’un Dirac) à une forme Maxwellienne. Les résultats numériques sont confrontés aux prédictions de deux modèles issus de la théorie cinétique des milieux granulaires adaptés aux nombres de Stokes modérés: la fonction Dirac (resp. Maxwellienne déviée) est utilisée pour décrire les suspensions faiblement (resp. fortement) agitées. Une nouvelle théorie pour déterminer les coefficients du tenseur d'auto-diffusion Lagrangienne est développée et validée avec les résultats des simulations. Les coefficients de diffusion et la viscosité de la phase solide sont également confrontés aux modèles théoriques utilisés pour la prédiction d’écoulements complexes. L'effet de l'inélasticité sur les quantités statistiques est également discuté. La conclusion de ce document fait la synthèse de tous ces résultats en proposant une approche unifiée de l’évolution de la viscosité effective du mélange fluide/particules. Une modification de la méthode FCM est proposée pour modéliser simultanément l'inertie des particules et les interactions hydrodynamiques.
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L'objectif de ce travail est de contribuer à la modélisation numérique des écoulements turbulents gaz-particules en conduite horizontale ou verticale non isotherme, présents dans de nombreux procédés industriels (transport pneumatique, séchage, ). Le modèle repose sur une approche eulérienne-lagrangienne permettant une description fine des mécanismes d'interactions entre les deux phases (action du fluide sur les particules (dispersion), action des particules sur le fluide (couplage two-way ) et interactions inter-particulaires (collisions)), plus ou moins influents selon les caractéristiques de l'écoulement. Les développements numériques apportés au modèle en conduite verticale et horizontale ont été validés par comparaison avec les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Les tests de sensibilité ont mis en évidence l'influence du modèle de dispersion, des collisions et de la modulation de la turbulence sur le comportement dynamique et thermique de la suspension.
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Dans le but d'améliorer la compréhension des écoulements présents dans les lits fluidisés circulants, cette étude présente une modélisation eulérienne d'écoulements ascendants de mélanges binaires de particules soumises à un champ fluide turbulent. La modélisation prend en compte l'entraînement des particules par le gaz ainsi que les collisions entre les particules, mais néglige l'influence des particules sur le mouvement du gaz. La modélisation de la phase solide est effectuée, par extension de la démarche menée en monosolide, en utilisant le formalisme de la théorie cinétique, qui permet une modélisation aisée des termes de collisions entre particules si on connaît la fonction de distribution des particules (pdf). Un modèle lagrangien de mixtures de particules entraînées par un fluide turbulent est alors mis au point, par extension de la démarche menée en monosolide, qui permet par simulation de déterminer la forme des pdf et de les modéliser. Il s'avère que, dans le cas présent, le modèle retenu pour la pdf de chaque espèce consiste en une gaussienne centrée en la vitesse moyenne de l'espèce considérée et caractérisée par un écart type égal à l'énergie cinétique spécifique par agitation de l'espèce. Les termes caractéristiques des collisions entre particules peuvent alors être calculés. D'autre part, les interactions fluide-panicules sont modélisées de façon analogue au cas monosolide. Une validation du modèle ainsi obtenu est effectuée dans le cas simple d'un mélange homogène stationnaire de particules en chute libre dans une turbulence homogène isotrope. Les résultats du modèle eulérien (vitesse, énergie cinétique par agitation, corrélation fluide particule, temps caractéristiques) sont comparés avec succès aux résultats des simulations lagrangiennes. Les phénomènes physiques mis en évidence sont notamment les transferts importants de quantité de mouvement et d'énergie entre espèces, ainsi que l'anisotropie des mouvements fluctuants des particules.
Author: Stéphane Fohanno
Author: Stéphane Fohanno
Author: Alain Petitjean
Author: JEROME.. LAVIEVILLE
Author: Patrick Rambaud (docteur en mécanique et énergétique).)
Author: Anna Chtab
Author: MARC.. SAKIZ
Author: Mohamed Ali Mergheni
Author: Micheline Abbas
Author: Valérie Chagras
Author: Christophe Gourdel