Description

Comment les gouttes de pluie se forment-elles dans les nuages ? Comment la dynamique du plancton ou des micro-plastiques est-elle affectée par les conditions de mer ? Quelles sont les conséquences pour la chaîne trophique ? Comment les polluants et les cendres volcaniques se dispersent-ils dans l'atmosphère ? Où peuvent-ils tomber et à quelle vitesse ? Quels sont les paramètres optimaux d'une station d'épuration, d'un moteur ou d'un réacteur chimique ? L'étude des particules inertielles dans les écoulements turbulents permet de répondre à toutes ces questions. Ces écoulements chargés de particules sont omniprésents mais très complexes à étudier en raison du très grand nombre de paramètres de contrôle imbriqués et du manque de prédictions théoriques.

Nous proposons une étude expérimentale, incluant la résolution temporelle, afin d'améliorer la modélisation physique et empirique de la dynamique des polydisperses en présence de turbulence. Ce travail fait partie d'un projet commun avec l'ENS-Lyon, IFPEN Lyon, LMFL Lille et l'Université de Buenos Aires.

Nos objectifs
Des simulations et des expériences dans des installations en eau et en air permettront d'étudier l'impact de la turbulence sur la sédimentation des particules individuelles. Des simulations utilisant Basilisk et les DNS de particules ponctuelles entièrement résolues des équipes de Buenos Aires et de Madrid seront réalisées. Les expériences menées à l'ENS-Lyon, au LMFL-Lille et à l'ENSTA-Paris suivront simultanément la dynamique des particules et celle du fluide environnant en utilisant le suivi lagrangien des particules en 3D à haute résolution, avec les capacités uniques offertes par les nouveaux algorithmes de suivi tels que Shake-the-Box. Cette méthode est essentielle pour étudier les couplages subtils en jeu (vitesse et accélération relatives, échantillonnage préférentiel). Les premières mesures se concentreront sur les statistiques de vitesse et d'accélération des particules lorsque la taille et la densité des particules ainsi que la turbulence sont modifiées afin d'explorer systématiquement l'espace des paramètres (taille des particules, nombre de Stokes, nombre de Rouse, rapport entre la densité des particules et celle du fluide et nombre de Reynolds). Le diagnostic combiné sur les particules et le fluide environnant mettra en lumière l'importance relative des effets locaux de vitesse de glissement (effets de traînée non linéaires), de l'accélération relative locale (masse ajoutée et forces d'histoire) et des effets d'échantillonnage préférentiel liés à l'inertie des particules ('preferential sweeping' ou 'hindering') qui sont essentiels pour distinguer les régimes pour lesquels la turbulence améliore ou entrave finalement la sédimentation. Avec l'augmentation de la densité d'ensemencement, nous explorerons le rôle des effets collectifs en abordant le lien possible entre la concentration locale de particules et l'augmentation ou la diminuation de la sédimentation. Les simulations permettront de comparer les résultats expérimentaux et d'explorer l'espace des paramètres plus en profondeur que ne le permettent les expériences.

Compétences requises

Mécanique des fluides Physique non linéaire Méthodes expérimentales Programmation Python/Matlab

Bibliographie

Dejoan, A. and Monchaux, R. (2024). Settling of not so heavy particles in turbulent flows: insights from 2way coupled direct numerical simulations. In preparation.

Zürner, T., Toupoint, C., De Souza, D., Mezouane, D., & Monchaux, R. (2023). Settling of localized particle plumes in a quiescent water tank. Physical Review Fluids, 8(2), 024301.

De Souza 2021 - De Souza, D., Zürner, T., and Monchaux, R. (2021). Simple distinction of similar-looking inertial particles and fluid tracers on camera images. Experiments in Fluids, 62(5), 1-14.

Mots clés

experimental, Vélocimetry par imagerie de particules, PIV résolue en temps, Particle tracking velocimetry, instabiltés