Présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE Présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Transfert, Dynamique des Fluides, Energétique, Procédés Spécialité : DYNAMIQUE DES FLUIDE Chute d'un nuage de particules dans une turbulence diffusive Etude des couplages entre phases par diagnostics optiques Par Laure VIGNAL Soutenue le 7 Juillet 2006 à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse devant le jury composé de : O. SIMONIN Président A. CARTELLIER Rapporteur B. OESTERLÉ Rapporteur E. K. LONGMIRE Examinatrice B. LECORDIER Examinateur L. BEN Examinateur J. BORÉE Directeur de thèse V. ROIG Directrice de thèse N° d'ordre : 2358

  • particules solides

  • écoulement monophasique

  • champs de vitesse des particules et du fluide

  • phase flow

  • directeurs de thèse parfaits

  • fraction moyenne volumique en particules


Publié le : samedi 1 juillet 2006
Lecture(s) : 78
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 217
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THÈSE




Présentée pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE

École doctorale : Transfert, Dynamique des Fluides, Energétique, Procédés

Spécialité : DYNAMIQUE DES FLUIDE




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




Par


Laure VIGNAL







Soutenue le 7 Juillet 2006 à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse

devant le jury composé de :

O. SIMONIN Président
A. CARTELLIER Rapporteur
B. OESTERLÉ rteur
E. K. LONGMIRE Examinatrice
B. LECORDIER inateur
L. BEN Examinateur
J. BORÉE Directeur de thèse
V. ROIG Directrice de thèse



N° d’ordre : 2358














































à mes grands-parents,
à ma maman,
à Franck

Résumé


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
-5cette étude où la fraction moyenne volumique en particules est de l’ordre de 10 . 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.


Mot clés : concentration préférentielle, écoulement diphasique, mesure PIV/PTV simultanées,
modification de la turbulence.


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
-5where the average volume fraction in particles is of about a 10 . 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.


Keywords : preferential concentration, two-phase flow, simultaneous measurement PIV/PTV,
modification of turbulence.


Remerciements

Ce travail de thèse a été réalisé au sein du groupe Ecoulements Et Combustion (EEC) de
l’Institut de Mécanique des Fluide de Toulouse dans le cadre d’une bourse du Ministère de
l’Education Nationale, de la Recherche et de la Technologie.

Mes remerciements chaleureux vont en premier lieu à mes directeurs de thèse, Véronique
Roig et Jacques Borée. Leur enthousiasme et leur soutien ont été pour moi des éléments de
motivation essentiels. La complémentarité de leur approche et de leurs conseils scientifiques,
les nombreuses discussions que nous avons pu avoir ensemble ont été pour moi une
importante source d’enrichissement. Leur gentillesse et leur écoute m’ont permis de ne pas
perdre courage dans les moments difficiles. Merci aussi pour leur grande disponibilité, même
le week-end quand la fin se faisait sentir. Je peux dire sincèrement qu’ils ont été pour moi des
directeurs de thèse parfaits.

Je tiens aussi à exprimer mes très sincères remerciements à Livier Ben sans qui ce travail
expérimental n’aurait pas pu être mené dans de si bonnes conditions. Ses idées, sa réactivité
ont permis d’avancer rapidement et efficacement dans la conception du montage
expérimental. D’autre part, son investissement total dans le développement de l’algorithme de
PTV a été déterminant concernant les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse.
Finalement, sa gentillesse et son attention à mon égard m’ont permis de retrouver le moral
dans les instants délicats.

Je remercie également tous les membres du jury qui ont accepté d’évaluer mon travail de
thèse. Je remercie tout d’abord Olivier Simonin, président du jury, pour ses remarques
constructives et ses conseils durant toute la durée de la thèse. J’adresse toute ma
reconnaissance à Alain Cartellier et Benoît Oesterlé pour avoir accepté d’être rapporteurs de
cette thèse et pour l’intérêt qu’ils ont manifesté pour ce travail, ainsi qu’à Ellen K. Longmire,
examinatrice, et Bertrand Lecordier, membre invité, qui ont apporté leur regard extérieur sur
ce travail. Je remercie Georges Charnay, directeur du groupe EEC, de m’avoir accueilli dans son groupe
de recherche, ainsi que François Charru, directeur du groupe Interface, qui m’ont tous les
deux permis de réaliser cette thèse de manière transversale entre les groupes Ecoulement Et
Combustion et Interface.

Je tiens à exprimer toute ma gratitude à Gérard Couteau, Laurent Mouneix et Cédric Trupin
pour la conception et la réalisation du montage expérimental, et à Moïse Marchal et au
Service Signaux et Images (Jean-Félix Alquier, Hervé Ayrolles et Emanuel Cid) pour la mise
en place des techniques expérimentales, sans qui ce travail expérimental n’aurait pas pu être
mené à son terme.
Merci également à Sébastien Cazin qui a pris une part active au développement de la nouvelle
technique de mesure PTV développée dans cette thèse et qui m’a permis de tester la PIV
rapide. J’espère qu’il pourra poursuivre ce travail au sein de l’IMFT et le diffusait à de
nouveaux utilisateurs potentiels.
Je souhaite aussi remercier Rudy Bazile qui a participé au démarrage de ce projet de
recherche dans le groupe EEC et Florence Colombies, secrétaire du groupe EEC,
indispensable au bon fonctionnement du groupe.
Je remercie Muriel Sabater et Gwenaelle Hareau, du Service Reprographie, ainsi que Gilles
Martin, Yannick Exposito, Jean-Pierre Bombaud et Gérard Leblanc, du Service Informatique,
pour leur disponibilité et leur efficacité.

J’adresse mes remerciements sincères à l’ensemble des groupes EEC et Interface : thésards,
post-doc, permanents et stagiaires qui m’ont accompagné durant cette thèse. Et de façon plus
générale, merci à : Anaig, Anne, Anthony, Arthur, Brice, Brice M., Emeline, Gaspard,
Guillaume, Hervé, Jérôme, Julien, Laurent B., Mamour, Magali, Mathieu, Olivier, Sylvain,
Thomas, Vincent, Vincent M., Virginie, Yannick.

De façon plus personnelle, je tiens à dire toute ma joie d’avoir passée ces 3 ans et ½ de thèse
avec ma P’tite collègue Caro. Malgré des hauts et des bas, je suis heureuse de nous savoir
maintenant « docteurs » !
Un grand merci aux Toulousains, Marseillais, Grenoblois, Orthéziens d’avoir été présents lors
de ma soutenance…rien de mieux pour mettre en confiance.

Pour finir, ce travail n’aurait pas pu bien se passer sans le soutien indispensable de ma famille
durant toutes mes années d’études et plus particulièrement de ma maman qui n’a jamais cessé
de m’apporter ses encouragements et de grandes bouffées de réconfort. Merci également à
Franck pour son soutien quotidien, son écoute très attentionnée et sa joie de vivre
communicative qui m’a toujours permis de relativiser les difficultés.
Mon dernier mot sera pour ma grand mère : « Voilà, j’ai enfin fini mes études Mémette ! » et
ma dernière pensée partira vers mon pépé qui nous a quitté trop tôt. Je vous dédie à tous les
deux ce travail…
Table des matières
Nomenclature 19
Chapitre I Introduction, Contexte et Plan de l’étude 25
I.1 Caractéristiques de l’étude 27
I.1.1 Classification des écoulements gaz-solides 27
I.1.2 Paramètres physiques caractéristiques du problème 27
I.1.2.1 Paramètres représentatifs de la turbulence de la phase continue 28
I.1.2.2 dynamique de la phase dispersée 29
I.1.2.3 Paramètres représentatifs de l’interaction fluide-particules 30
I.2 Mécanismes physiques à l’œuvre 32
I.2.1 Dispersion de particules et concentration préférentielle
dans un écoulement turbulent 32
I.2.2 Modification du mouvement relatif moyen et de la turbulence de la phase
porteuse par les particules en présence de concentration préférentielle 33
I.3 Modèle à deux fluides/approche eulérienne dans l’étude des écoulements diphasiques 34
I.4 Plan de l’étude 37
Chapitre II Installation expérimentale et moyens de mesure 39
II.1 Introduction 39
II.2 Mise en œuvre de l’expérience 40
II.2.1 Dimensionnement 40
II.2.2 Dispositif expérimental 43
II.2.2.1 Dispositif d’alimentation en air 44
II.2.2.2 Le tube en verre et la cuve en PVC 47
II.2.2.3 Injecteur de particules solides 49
II.3 Mesure par imagerie laser - Acquisition des données 52
II.3.1 Configuration expérimentale 53
II.3.2 Mise en place du système d’imagerie laser 54
II.3.2.1 Caméra d’acquisition des images 54
II.3.2.2 Laser PIV 55
II.3.2.3 Synchronisation laser – caméra (Figure II.14) 55
II.4 Structure de l’écoulement monophasique 57
II.4.1 Structure de l’écoulement moyen dans l’étude d’un écoulement de jet confiné 59
II.4.2 Evolution des principales grandeurs sur l’axe 59
II.4.2.1 Moments d’ordre 1 et 2 59
II.4.2.2 Moments d’ordre 3 et 4 63
II.4.2.3 Lois d’évolutions axiales des moments statistiques d’ordre 1 à 4 64
II.4.3 Bilan d’énergie et présentation des différentes zones de l’écoulement 66
II.4.3.1 Bilan d’énergie cinétique axial 66
II.4.3.2 Zone d’expansion du jet de z/D ≈0 à 1.5 70
II.4.3.3 Zone de transition de z/D ≈1.5 à 4.3 72
II.4.3.4 Zone de turbulence diffusive affine de z/D ≈4.3 à 6.3 73
II.4.3.5 Zone haute de fin du tube (z/D>6.3) 79
II.4.3.6 Corrélations en 2 points pour z/D>3.5 80
II.4.4 Conclusions 82
Chapitre III Traitements associés aux mesures par imagerie laser 83
III.1 Introduction 83
III.2 Vélocimétrie par images de particules (PIV) 84
III.2.1 Présentation de l’algorithme de PIV utilisé 84
III.2.1.1 Filtrage des images instantanées 85
III.2.1.2 1ère passe : PIV standard 86
III.2.1.3 2ème passe : Décalage de mailles itératif et déformation de mailles 88
III.2.1.4 Post-traitement : détection et élimination des vecteurs faux 90
III.2.2 Performances des mesures PIV en écoulement turbulent monophasique 92
III.2.2.1 Limites des mesures PIV et optimisation des paramètres de calcul
dans le cas d’un écoulement monophasique 2D 95
III.2.2.2 Performances de l’algorithme de PIV dans le cas
d’un écoulement monophasique 3D 100
III.2.2.3 Exemples de tests de l’algorithme PIV sur des images
réelles d’écoulement monophasique 104
III.2.3 Performances de l’algorithme de PIV en écoulement turbulent diphasique 105
III.2.3.1 Influence des éléments de substitution des particules
sur la mesure PIV en écoulement diphasique 107
III.2.3.2 Suppression des particules des images diphasiques réelles 115
III.3 Développement du programme de suivi de particules (PTV) 118
III.3.1 Principe de l’algorithme de PTV développé pour cette étude 118
III.3.1.1 Séparation de phases (particules-traceurs) 118
III.3.1.2 Appariement et vitesses des particules 120
III.3.2 Validation du programme de PTV 122
III.3.2.1 Validation des étapes de détection et d’appariement des particules 123
III.3.2.2 Tests sur la mesure de vitesses des particules
avec des images de synthèse 127
III.3.2.3 Validation de la mesure de vitesses des particules
sur des images « réelles » 130
Chapitre IV Analyse de l’écoulement diphasique gaz-particules 134
IV.1 Introduction 134
IV.2 Fraction volumique en particules 135
IV.3 Nombres adimensionnels caractéristiques de l’interaction entre phases 136
IV.4 Champs des vitesses moyennes 140
IV.4.1 Evolutions longitudinales des vitesses moyennes du fluide 140
IV.4.2 Evolutions des vitesses moyennes des particules 141
IV.4.3 Evolutions transversales des vitesses moyennes du fluide et des particules 143
IV.5 Analyse de la turbulence par des mesures au point 146
IV.5.1 Evolutions longitudinales des fluctuations de vitesses du fluide 146
IV.5.2 Evolutions longitudinales des fluctuations de vitesses des particules 149
IV.5.3 Evolutions transversales des fluctuations de vitesses 152
IV.5.4 Analyse des moments d’ordre supérieur et des lois d’affinité
pour la phase fluide 156
IV.5.4.1 Modifications des moments d’ordre 3 156
IV.5.4.2 Lois d’évolutions axiales des moments statistiques
d’ordre 1 à 4 du fluide 159
IV.5.5 Bilan énergétique sur l’axe pour le fluide 160
IV.6 Conclusions 163
Chapitre V Concentration préférentielle et mouvement relatif moyen 165
V.1 Introduction 165
V.2 Caractérisation de la concentration préférentielle 166
V.2.1 Description statistique de la distribution spatiale des particules 166
V.2.1.1 Densité de probabilité de la concentration en particules 166
V.2.1.2 Mesure de l’écart à une distribution aléatoire uniforme 167
V.2.2 Analyse du champ de concentration en particules,
preuve de l’existence des amas 169
V.2.3 Mécanismes de formation des amas et localisation dans l’écoulement 173
V.2.4 Echelles de temps et de longueur caractéristiques des amas 177
V.2.4.1 Echelles de longueur 177
V.2.4.2 Echelles de temps 179
V.3 Modification de la turbulence par les particules 183
V.3.1 Structure spatiale de l’écoulement turbulent 183
V.3.1.1 Corrélations des vitesses du fluide en deux points
et échelles intégrales de longueur 183
V.3.1.2 Corrélations des vitesses des particules en deux points 186
V.3.2 Modèle d’alimentation de l’énergie cinétique du fluide
par des effets de flottabilité 188
V.4 Vitesses du fluide vues par les particules 192
V.4.1 Statistiques conditionnelles des vitesses du fluide 192
V.4.1.1 Intérêt et définition des statistiques du fluide « vu » par les particules 192
V.4.1.2 Mise en œuvre de la méthode de mesure 192
V.4.1.3 Validation de la méthode de mesure 193

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