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Modélisation numérique stochastique des rebonds de particules sur parois rugueuses.

Konan N'Dri, Arthur (2007) Modélisation numérique stochastique des rebonds de particules sur parois rugueuses. (Numerical stochastic modeling of particle rebounds on rough walls.)

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Abstract

Les interactions particules-paroi constituent un important mécanisme partiellement compris dans le cadre des écoulements turbulents diphasiques confinés et à inclusions dispersées. Pour les particules inertielles dont le mouvement est fortement influencé par les rebonds avec la paroi, la bonne prise en compte de ces interactions est cruciale pour une prédiction correcte des propriétés statistiques de l'écoulement. Une première étape à la compréhension des interactions particules/paroi a été de considérer des parois lisses. Cette hypothèse a permis non seulement l'élaboration de base de données de référence, mais aussi la mise en exergue des mécanismes intervenant au cours de ces rebonds et a conduit au développement de modèles eulériens pour les parois lisses (Sakiz & Simonin, 1999). Des investigations expérimentales récentes (Kussin & Sommerfeld, 2004 ; Benson et al., 2005) en canal montrent d'importantes modifications des propriétés statistiques de la phase dispersée d'un écoulement turbulent gaz-particules en raison de la rugosité des parois. Pour modéliser les collisions de particules avec une paroi rugueuse, le mécanisme de "Shadow Effect" proposé par Sommerfeld & Huber (1999), est le modèle lagrangien le plus satisfaisant en comparaison avec l'expérience. Dans le cadre de cette thèse, sa mise à contribution pour la dérivation de conditions aux limites eulériennes à la paroi s'est heurtée à un problème de fermeture lié aux très grands nombres de particules rasantes après le rebond, générées par ce modèle. Des simulations LES/DPS à bas nombre de Reynolds réalisées en canal, dans lesquelles l'effet de la rugosité des parois sur les particules est simulé à l'aide du "Shadow Effect Model" ont par ailleurs confirmé, à travers les fonctions de distribution des angles de rebonds des particules, cet aspect inattendu de ce modèle de paroi rugueuse. En outre l'interpretation des résultats des simulations, en s'appuyant sur l'approche aux moments (Simonin, 1996), a permis demieux appréhender et de proposer des mécanismes responsables des modifications des premiers moments de la phase dispersée. Pour palier les insuffisances du "Shadow Effect Model", nous avons développé un modèle lagrangien "Rough-Wall Multi-Collisions Model", basé sur une description stochastique de l'interaction particule/paroi rugueuse et intègre dans sa formulation des effets de rebonds multiples. Le modèle est d'abord validé par comparaison à des simulations LES/DPS en canal avec des rebonds multiples déterministes des particules sur les parois rugueuses géométriques du canal. Il est ensuite évalué dans le cadre de la simulation de l'étude expérimentale de Sommerfeld & Kussin (2004) en canal, à l'aide de simulations LES/DPS à grand nombre de Reynolds de la phase gazeuse. Le "Rough-Wall Multi-Collisions Model" est au final employé pour dériver des conditions aux limites eulériennes aux parois. ABSTRACT : Particle/wall interactions constitute an importantmechanism, that is partially understood in confined two-phase turbulent flows. For inertial particles whose motion is strongly influenced by the rebound from the wall, the correct accounting of particle-wall interactions is crucial in order to more accurately predict properties of the dispersed flow. In order to gain a basic understanding of the controlling mechanisms, research has been mostly directed toward particle bouncing on smooth walls. This assumption allowed not only the development of benchmark database, but also the highlighting of mechanisms which occur during these rebounds, and has provided a basis for the derivation of sophisticated wall boundary conditions for the first-order moments of the dispersed phase (Sakiz & Simonin, 1999). Recent measurements (Kussin & Sommerfeld, 2004 ; Benson et al., 2005) in channel flow have shown that wall roughness has a strong effect on dispersed phase properties. To model particle/rough wall collisions, the "Shadow Effect" mechanism, suggested by Sommerfeld & Huber (1999), is the most satisfactory Lagrangian model by comparison to measurements. In the framework of this thesis, its application for derivation of the wall Eulerian boundary conditions failed because of important number of grazing particles generated by the "Shadow EffectModel". LES/DPS simulations of turbulent two-phase flows at low Reynolds number in channel flow, in which the wall roughness effects on dispersed phase are simulated by the "Shadow Effect Model" borne out its unexpected aspect through the probability distribution functions of the rebound angles of the particles from wall. From PDF approach (Simonin, 1996), mechanisms which drive the influence of wall roughness on dispersed phase were shown. To describe more physically the mechanisms occurring during the rebound process and to correct the deficiencies of the "Shadow Effect Model", we developed a new Lagrangianmodel "Rough-WallMulti-CollisionsModel", based on a stochastic description of particule/rough wall interaction and it integrates multiple rebound effects in its formulation. The "Rough-Wall Multi-Collisions Model" was first validated by comparison to LES/DPS simulations in channel flows with deterministic multiple rebounds of the particles on geometrical rough walls of the channel. Second, it has been assessed in the framework of the simulation from LES/DPS by comparison with the experiment of Sommerfeld & Kussin (2004). Finally, the "Rough-Wall Multi-Collisions Model" was used to derive wall Eulerian boundary conditions.

Department:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Simonin, Olivier
Uncontrolled Keywords:Collisions particule/paroi - Paroi rugueuse - Shadow effect – LES/DPS - Fonctions de distribution - Canal. KEYWORDS : Particle/wall collisions - Rough wall - Shadow effect - LES/DPS - Probability density function - Channel
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:04 April 2008

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