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Chute d'un nuage de particules dans une turbulence diffusive. Etude des couplages entre phases par diagnostics optiques

Vignal, Laure (2006) Chute d'un nuage de particules dans une turbulence diffusive. Etude des couplages entre phases par diagnostics optiques. (Particle laden diffusive turbulence. Study of the interactions between the phases with optical diagnostics.)

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Abstract

Ce travail expérimental s'inscrit dans le cadre des études sur les écoulements diphasiques et porte plus particulièrement sur la caractérisation des interactions entre une phase porteuse gazeuse et une phase dispersée composée de particules solides : i.e. la dispersion des particules, la formation d'amas de particules, et leur effet sur la modification de l'écoulement porteur. La plupart des résultats expérimentaux, obtenus dans des configurations complexes, ne peuvent être comparés que difficilement à la théorie et aux résultats numériques. Le premier travail a ainsi consisté à réaliser un dispositif expérimental présentant un écoulement monophasique avec un régime proche de la THI (Turbulence Homogène Isotrope) et permettant de se placer dans des régimes d'écoulement propices à l'apparition de concentration préférentielle. L'écoulement retenu est celui engendré par un jet d'air confiné dans un tube fermé hermétiquement en son sommet. Cet écoulement présente bien une zone de turbulence diffusive. Les grandeurs caractéristiques de cet écoulement (vitesse moyenne, fluctuations de vitesse, cisaillement, moments d'ordre 3 et 4) sont comparables à celles rapportées dans la littérature. L'écoulement diphasique est obtenu en utilisant un système d'ensemencement de particules assurant une injection régulière et spatialement homogène des particules par le haut du tube. L'originalité de l'expérience consiste à mesurer simultanément les champs de vitesse des particules et du fluide par une méthode optique non intrusive afin d'analyser le couplage entre les deux phases. Ces résultats ont été obtenus à l'aide d'une méthode de diagnostic optique, couplant la technique de PIV 2D2C (2 dimensions 2 composantes) classique et une méthode de PTV mise au point dans le cadre de cette étude. Cette méthode reste robuste pour des écoulements présentant des zones de fortes surconcentrations en particules, dans le cas de cette étude où la fraction moyenne volumique en particules est de l'ordre de 10-5. L'obtention de mesures fiables et simultanées sur les deux phases par couplage PIV/PTV a fait l'objet d'un soin particulier. L'analyse des statistiques des champs de vitesse fluide diphasique dans la partie haute du tube met en évidence que la présence des particules provoque une augmentation de l'énergie cinétique turbulente par rapport à l'écoulement monophasique et fait perdre le caractère isotrope de l'écoulement. Une analyse de la position instantanée des particules dans différentes régions du tube met en évidence un régime de concentration préférentielle caractérisé par la formation d'amas de particules au sein de l'écoulement. Nous proposons un modèle de production d'énergie cinétique turbulente par les fluctuations de concentration des particules associées aux amas en présence de gravité. Malgré le caractère dilué en particules de notre écoulement, la formation d'amas modifie fortement la turbulence du fluide. Cette même dynamique collective des particules, regroupées en amas, pourrait être une piste intéressante afin d'expliquer aussi la modification du mouvement relatif moyen des particules. ABSTRACT : This experimental work lies within the scope of the studies on the two-phase flows and concerns more particularly the characterization of the interactions between a carrier gas phase and a dispersed phase consisting in solid particles : i.e. the dispersion of the particles, the clusters generation and their effect on the continuous phase. The majority of the experimental results, obtained in complex configurations, can be compared only with difficulty with existing theory and numerical results. Thus, the first work consisted in carrying out an experimental apparatus presenting a single-phase flow with a region as similar as possible to homogeneous and isotropic turbulence, and in making possible the apparition of preferential concentration in two-phase flow. The single-phase flow consisted in a vertical air jet confined in a tube closed hermetically at the top section, which presents a zone of diffusive turbulence. The characteristic sizes of this flow (mean velocity, velocity fluctuations, shearing, moments of order 3 and 4) are the same with those reported in the literature. The two-phase flow is obtained by using a stationary and spatially homogeneous injection of particles from the top of the tube. The originality of the experiment consists in simultaneous measurements of the velocity fields of the particles and of the fluid by a non-intrusive optical method in order to analyse the coupling between the two phases. These results are obtained using a method of optical diagnostic, coupling the traditional technique of PIV 2D2C (2 dimensions 2 components) and a method of PTV developed in this study. This method remains robust for flows with zones of strong over-concentrations in particles, in this study where the average volume fraction in particles is of about a 10-5. The simultaneous measurements on the two phases by coupling PIV and PTV were the particular careful aim of this work. The analysis of the statistics of the velocity fields of the two-phase flow in the high part of the tube highlights that the particles cause an increase of the turbulent kinetic energy compared to the single-phase flow and a loss of the isotropic character of the flow. An analysis of the instantaneous position of the particles in various areas of the tube demonstrates that a region of preferential concentration exists. It is characterised by the presence of clusters of particles. We suggest a model of turbulent kinetic energy production by the fluctuations of concentration of the particles associated with clusters in the presence of gravity. In spite of low volume fraction of particles, the formation of cluster strongly modifies the turbulence of the fluid. This same collective dynamics of the particles could be an interesting track in order to analyse the modification of the average relative movement of the particles.

Department or laboratory:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Borée, Jacques and Roig, Véronique
Uncontrolled Keywords:Concentration préférentielle - Écoulement diphasique - Mesure PIV/PTV simultanées - Turbulence. KEYWORDS : Preferential concentration - Two-phase flow - Simultaneous measurement PIV/PTV - Turbulence.
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:21 February 2007

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