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Auto-diffusion de particules dans un ecoulement cisaille : des interactions hydrodynamiques aux effets collisionnels

Abbas, Micheline (2008) Auto-diffusion de particules dans un ecoulement cisaille : des interactions hydrodynamiques aux effets collisionnels. (Shear-induced self-diffusion of particles : from hydrodynamic interactions up to collisional effects.)

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Prix Léopold Escande 2008 (more)

Abstract

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. ABSTRACT : Lagrangian simulations are used to study the rheophysics of sheared suspensions of spherical particles. The effects of the fluid inertia, the Brownian diffusion and the gravity are neglected. Depending on the particle inertia characterized by the Stokes number, the suspensions are divided into two major classes. The limit of vanishingly small Stokes numbers corresponds to solid particles suspended in a very viscous fluid. The "Force Coupling Method" is used to model the direct hydrodynamic interactions controlling the dynamics of these monodisperse suspensions. This method is based on a finite multipole expansion of the velocity field perturbation induced by each particle. The motion of all the suspension particles is simultaneously coupled through the direct solution of the Stokes equations written for the carrying fluid flow. The macroscopic evolution is studied while the solid volume fraction is increased from low to moderately concentrated [φ=1-20%]. The results (velocity fluctuation, self-diffusion, velocity auto-correlation and spatial distribution of pairs ...) are in agreement with several former studies of the literature. We showed that the particle agitation is enhanced by increasing the concentration and leads to a diffusive behavior of the suspension. The agitation level and the characteristic diffusion time are increasing as many-body hydrodynamic interactions control the suspension dynamics. The accuracy of the method is improved by calculating the exact lubrication forces for particle pairs near contact. Hence, this allows to simulate larger suspension concentrations (up to 35%), and to quantify the effective viscosity in this regime. The model is extended to the bidisperse suspension configurations. The dependence of the statistical quantities (of both species) on the size ratio and concentration ratio is discussed for a fixed total volume fraction. For a constant concentration ratio, we obtained that an increase of the size ratio enhances (resp. reduces) the fluctuation level of the small (resp. large) particles. The increase large particle number induces a significant enhancement of the fluctuations and self-diffusion of both species. The suspensions characterized by moderate to high Stokes numbers are generally of gas-solid type. A hard-sphere collision model coupled with the particle Lagrangian tracking is used to simulate the suspension dynamics. The particle motion is controlled by only the drag force and particle collisions. The simulations show that the suspension properties depend strongly on the particle inertia and concentration. Increasing the Stokes number from 1 to 10 induces an enhancement of the suspension agitation by three orders of magnitude, and an evolution of the velocity distribution function from a highly peaked (close to the Dirac delta function) to a Maxwellian shape. The numerical results are compared to the predictions of two theoretical models based on the kinetic theory of granular flows adapted to moderate inertia regimes. The velocity distribution used for weakly (resp. highly) agitated suspensions is the Dirac delta (resp. deviated Maxwellian) function. A new prediction of the Lagrangian self-diffusion tensor is proposed and validated by the simulations results. The diffusion coefficients and solid phase viscosity are compared to the classical models used in engineering applications. The inelasticity effect on the statistical quantities is discussed as well.The conclusion of the manuscript proposes a unified approach of all the results related to the evolution of the effective viscosity in the bulk. A modification of the Force Coupling Method is proposed to properly simulate the particle inertia and hydrodynamic effects simultaneously.

Department or laboratory:Laboratoire de Génie Chimique - LGC (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Climent, Eric and Simonin, Olivier
Uncontrolled Keywords:Interactions hydrodynamiques – Inertie modérée de particule – Auto-diffusion – Théorie cinétique des milieux granulaires – Fource coupling method – Ecoulement de cisaillement pur – Rhéologie de suspension – Effets collisionnels
Subjects:Process engineering > Process and environmental engineering
Deposited On:14 April 2008

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