Modélisation numérique stochastique des rebonds de particules sur parois rugueuses

Dri Konan N'

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N° d'ordre : 2550 THESE présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Transferts, dynamique des fluides, énergétique et procédés Spécialité : Dynamique des flu ides Par M. KONAN N'Dri Arthur Titre de la thèse Modélisation numérique stochastique des rebonds de particules sur parois rugueuses Soutenue le 29 novembre 2007 devant le jury composé de : M. Kyle D. SQUIRES Président MM. Olivier SIMONIN Directeur de thèse Benoît OESTERLE Rapporteur Jacques BOREE Rapporteur Martin SOMMERFELD Membre ADOU Kablan Jérôme Membre

• paroi rugueuse


• contribution pour la dérivation de conditions aux limites eulériennes


• rough-wall multi-collisions


• écoulements turbulents


• paroi


• descrip- tion stochastique de l'interaction particule


• approche aux moments


• parois lisses


• collisions de particules


• prédiction correcte des propriétés statis- tiques de l'écoulement

Sujets

• Sommerfeld
• Membre

Informations

• Publié par: profil-feym-2012
• Publié le: 01 novembre 2007
• Nombre de lectures: 42
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

N° d’ordre : 2550






THESE


présentée

pour obtenir

LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE



École doctorale : Transferts, dynamique des fluides, énergétique et procédés

Spécialité : Dynamique des flu ides


Par M. KONAN N’Dri Arthur



Titre de la thèse Modélisation numérique stochastique des rebonds de particules sur parois rugueuses

Soutenue le 29 novembre 2007 devant le jury composé de :



M. Kyle D. SQUIRES Président


MM. Olivier SIMONIN Directeur de thèse

Benoît OESTERLE Rapporteur
Jacques BOREE Rapporteur
Martin SOMMERFELD Membre
ADOU Kablan Jérôme Membre Résumé
Les interactions particules-paroi constituent un important mécanisme partiellement compris dans
le cadre des écoulements turbulents diphasiques confinés et à inclusions dispersées. Pour les parti-
cules 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 statis-
tiques 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 don-
nées 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 réa-
lisées 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’interpre-
tation des résultats des simulations, en s’appuyant sur l’approche aux moments (Simonin, 1996), a
permis de mieux appréhender et de proposer des mécanismes responsables des modifications des pre-
miers 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 descrip-
tion 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.
Mots clés : collisions particule/paroi paroi rugueuse shadow effect
LES/DPS fonctions de distribution canal
iiiAbstract
Particle/wall interactions constitute an important mechanism, that is partially understood in confi-
ned 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 high-
lighting of mechanisms which occur during these rebounds, and has provided a basis for the deri-
vation 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 Effect Model". 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 unex-
pected 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 develo-
ped a new Lagrangian model "Rough-Wall Multi-Collisions Model", 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 compari-
son with the experiment of Sommerfeld & Kussin (2004). Finally, the "Rough-Wall Multi-Collisions
Model" was used to derive wall Eulerian boundary conditions.
Keywords : particle/wall collisions rough wall shadow effect
LES/DPS probability density function channel
iiiivRemerciements
Le travail de thèse présenté dans ce mémoire a été effectué au sein du groupe Écoulements Et Com-
bustion de l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Cette étude a été possible grâce à la col-
laboration entre les Professeurs Olivier SIMONIN (de l’Institut National Polytechnique de Toulouse /
ENSEEIHT) et ADOU Kablan Jérôme (de l’Université de Cocody/Abidjan, Côte d’Ivoire, Département
de Mathématiques & Informatique). Je voudrais leur exprimer ma profonde gratitude.
Au Professeur Olivier SIMONIN, je tiens à lui exprimer ma sincère et profonde reconnaissance, non
seulement pour sa confiance, mais aussi pour son soutien tout azimut et sans faille depuis le début de
cette thèse. Je voudrais surtout lui tirer mon chapeau pour l’excellent enseignement des écoulements
diphasiques qu’il a su me dispenser avec patience.
Mes chaleureux remerciements vont aussi à l’endroit des membres du jury qui m’ont fait l’honneur
de juger ce travail :
- Kyle D. SQUIRES, Président du jury,
- Benoît OESTERLE et Jacques BOREE, rapporteurs,
- Martin SOMMERFELD et ADOU Kablan Jérôme, examinateurs.
Je remercie spécialement le Professeur Kyle D. SQUIRES, que je pourrais considérer comme un
co-directeur de cette thèse dans la mesure où, ayant réalisé les simulations numériques de cette thèse à
l’aide de son code, j’ai eu des discussions permanentes et des séances de travail fréquentes avec lui, et
ce, au sujet de la modélisation et de la simulation numérique des grandes échelles du fluide.
Je tiens à remercier les services généraux : Cosinus (Annaïg PEDRONO et Hervé NEAU pour leur
promptitude à m’aider à compiler et à "linker" le code de calcul que j’ai utilisé), à la reprographie
(Muriel SABATER). Je remercie également Florence COLOMBIES, la gestionnaire du groupe, qui était
vconstamment confronté au cas administratif que je représentais la plupart du temps, et qui heureusement
pour moi, savait touj