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

Laure Vignal

Description

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

Sujets

• Vignal
• Institut national polytechnique de Toulouse
• Institut de mécanique des fluides de Toulouse

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 juillet 2006
• Nombre de lectures: 53
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

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 remerciement