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Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

  • redaction


N° d'ordre: 2588 THESE Présentée pour obtenir le titre de Docteur de l'Institut National Polytechnique de Toulouse Ecole doctorale: Mécanique Energétique et Génie des Procédés Spécialité: Génie des Procédés et de l'Environnement par Micheline Abbas intitulée AUTO-DIFFUSION DE PARTICULES DANS UN ECOULEMENT CISAILLE: DES INTERACTIONS HYDRODYNAMIQUES AUX EFFETS COLLISIONNELS Soutenue le 16 Janvier 2008 devant le jury composé de: MM. Daniel Lhuillier (IJLRA) Rapporteur Dominique Salin (FAST) Rapporteur Eric Clément (LMMDH/PMMH) Président Dirk Van den Ende (PCF-Twente) Membre Eric Climent (LGC) Directeur de thèse Olivier Simonin (IMFT) Directeur de thèse

  • évolution de la viscosité effective du mélange fluide

  • évolut ion de la distribution de vitesse

  • suspension

  • lagrangian self-diffusion

  • particules proches du contact

  • constante de la phase di

  • viscosité effective

  • interactions hydrodynamiques

  • coefficients du tenseur d'auto-diffusion lagrangienne

  • particule


Sujets

Informations

Publié par
Publié le 01 janvier 2008
Nombre de lectures 84
Langue Français
Poids de l'ouvrage 2 Mo

Extrait


N° d'ordre: 2588






THESE

Présentée pour obtenir le titre de

Docteur de l'Institut National Polytechnique de Toulouse

Ecole doctorale: Mécanique Energétique et Génie des Procédés
Spécialité: Génie des Procédés et de l'Environnement





par

Micheline Abbas




intitulée

AUTO-DIFFUSION DE PARTICULES DANS UN ECOULEMENT
CISAILLE: DES INTERACTIONS HYDRODYNAMIQUES AUX
EFFETS COLLISIONNELS



Soutenue le 16 Janvier 2008 devant le jury composé de:




MM. Daniel Lhuillier (IJLRA) Rapporteur
Dominique Salin (FAST) Rapporteur
Eric Clément (LMMDH/PMMH) Président
Dirk Van den Ende (PCF-Twente) Membre Climent (LGC) Directeur de thèse
Olivier Simonin (IMFT) Directeur
Remerciements

"Un sage prof ne te propose pas de rentrer là où loge sa sagesse. Il te conduit plutôt jusqu'au seuil
de ton esprit", Gibran khalil Gibran.

Il est vrai qu'une thèse nécessite plein d'efforts, de motivation et de patience. Sa réussite dépend
de plusieurs facteurs. Dans mon cas, c'est l'environnement qui était propice à cette réussite: des
labos très agréables pour travailler tant au niveau scientifique qu'humain, des collègues qui sont
devenus mes amis, et des sages profs…

Le travail s'est déroulé au sein du Laboratoire de Génie Chimique et de l'Institut de Mécanique
des Fluides de Toulouse, grâce à la structure Fédérative Fermat.

Je tiens d'abord à remercier très chaleureusement mon directeur de thèse Eric Climent, pour sa
gentillesse, son encadrement scientifique que j'ose qualifier de haut niveau, sa pédagogie, ses
conseils avisés et les idées toujours claires avec lesquelles on menait la barque de la thèse. Je
remercie également mon co-directeur, Olivier Simonin, pour ses valeureux conseils, ses
orientations scientifiques ainsi que pour nos discussions théoriques. Un grand merci pour le chef
d'équipe Olivier Masbernat, pour l'appréciation qu'il portait toujours à l'égard de mon travail, et
pour tous les repas amicaux qu'il organisait régulièrement.

Je voudrais remercier Denis et Iréa pour avoir veillé au bon déroulement informatique de ma
thèse, Nicolas Renon pour avoir suivi avec intérêt la parallélisation du code, et Jean François pour
toutes nos discussions sur les gaz-particules et la théorie cinétique.

Mon passage au LGC m'a permis de côtoyer des gens charmants qui viennent de tous les coins
du monde (Alain, Amit, Maria Elena, Yongsoep…). J'ai eu le plaisir de partager mes moments de
détente (repas, pauses et blagues) avec les personnes du "bureau des amis" (Christophe, Shila,
Romain, Mariem, Amélie, Nicolas Abi Chebel et Nicolas Estime, Lynda, Soualo, Riccardo….) et
des courses très belles au bord du lac de la Ramée avec Claudine. Je remercie Mallorie pour sa
bonne humeur et ses conseils, Nancy et Dominique pour avoir été toujours là pour écouter mes
soucis concernant mon petit pays. A la fin de la thèse, pendant mon séjour de rédaction à l'IMFT,
j'étais entourée par mes collègues du groupe EEC qui ont été très accueillants (JF, Viviane, Dirk,
Enrica, Magali, Rool, Olivier, Yannick, Laurent, Gérard, Florence…). Je vous en suis très
reconnaissante. Je tiens à vous remercier pour votre gentillesse et votre sympathie, ainsi que tous
les gens qui m'ont entouré et que j'ai pu oublier de citer.

2Tout au long de cette thèse, j'ai partagé 10 m avec Alicia. Malgré nos banales petites disputes
(bouilloire, ventilateur, rideaux, porte…), j'ai eu la chance de l'avoir avec son mari Jesús, dans le
2cercle de mes meilleurs amis. J'ai également partagé 200m avec des colocataires qui ont fait de la
maison un milieu agréable où l'on pouvait se détendre après les longues journées de travail. Merci
Hikmat, Wissam, Issam, Fadi, William et Youssef.

Nelson, merci pour m'avoir permis de compter sur toi sans trop réfléchir et pour tous les
moments inoubliables que nous avons passé ensemble que ce soit en France ou dans ta belle
principauté "Asturias".
Je voudrais remercier mes parents pour leur soutien, leurs encouragements et leur amour qui
m'ont toujours donné la force d'avancer. Pour finir, un grand merci pour le "soldat inconnu",
avec qui j'ai choisi de faire cette thèse pendant un beau coucher de soleil, qui m'a appris à être la
femme courageuse que je suis, et mon seul regret c'est que la vie n'a pas permis qu'il soit témoin
de sa fin. Résumé de la Thèse:
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

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