Position de doctorat Dynamique des particules inertielles dans l’interface turbulente/non turbulente

Malgré son apparente simplicité, la physique des sphères de taille finie advectées par un fluide cache toute une hiérarchie de riches phénomènes imbriqués, dont certains sont encore entourés de mystère. C’est par exemple le cas lorsqu’une particule se trouve dans un environnement turbulent et/ou lorsque des couplages hydrodynamiques apparaissent entre plusieurs particules, entraînant de subtils comportements collectifs. Dévoiler les mécanismes fondamentaux de tels phénomènes reste crucial pour améliorer notre capacité à modéliser et prédire avec précision les flux chargés de particules. Ces flux sont présents dans de nombreux processus différents tels que la coalescence (formation de pluie), l’agglomération (particules dans l’atmosphère), la vitesse de sédimentation (sédimentation), les transformations chimiques (colonnes montantes), entre autres.

    Toutes ces configurations d’écoulement soulèvent de nombreuses questions fondamentales ouvertes et font l’objet d’un grand intérêt dans les recherches actuelles. En effet, en raison de leur densité plus élevée par rapport au fluide porteur, les particules inertielles interagissant avec la turbulence sous-jacente ont tendance à former des régions de concentration élevée (amas) et faible (vides) (comme illustré sur la figure 1). Ces régions couvrent presque toute la gamme des échelles de turbulence, c’est-à-dire depuis l’échelle de longueur de Kolmogorov jusqu’à l’échelle de longueur intégrale ou même plus pour les superamas, et les régions les plus larges présentent une autosimilarité. Une telle organisation spatiale non triviale des particules, phénomène appelé concentration préférentielle , a de fortes conséquences sur la dynamique des écoulements par le biais d’échanges de quantité de mouvement entre phases, de génération de fluctuations de vitesse ou de dynamique collective, ainsi que sur le transport et la dispersion des particules. En fin de compte, ces fonctionnalités contrôlent l’efficacité de toutes les applications mentionnées ci-dessus.

Figure 1 : Illustration de la formation de clusters et de vides à partir des simulations de Yoshimoto et Goto 2007

   Ce projet expérimental étudiera la dynamique des gouttelettes inertielles dans une interface turbulente/non turbulente, avec et sans présence de cisaillement, et avec différentes orientations par rapport à la gravité. Pour mener cette recherche, nous utiliserons des installations et des techniques de mesure uniques, à savoir deux souffleries équipées de systèmes producteurs de turbulences pouvant être activés différentiellement pour générer une interface turbulente/non turbulente. Avec les deux configurations expérimentales (voir figure 2 pour un exemple), cette collaboration pourra couvrir une large gamme de gradients d’intensité turbulente, de taux de cisaillement et de nombres de Reynolds pour l’étude de la dynamique des particules inertielles dans des conditions turbulentes/non turbulentes. L’étude conjointe produira des données sur différentes tailles de gouttelettes qui couvrent la gamme des nombres de Stokes, qui caractérisent l’inertie des particules par rapport à l’échelle microscopique de la turbulence, qui sont intéressantes dans des domaines d’application tels que l’injection de carburant dans les systèmes de conversion d’énergie, le revêtement par pulvérisation industriel. , formation de pluie chaude dans les nuages ​​et embruns marins provenant des vagues déferlantes dans la zone de surf.

 Différentes avancées sont attendues :

– Dans un premier temps, des campagnes de mesures dans les installations du LMFL-École Centrale de Lille (Lille, France) et de l’Université de Washington (Seattle, USA) sont envisagées. Les techniques de mesure telles que l’interférométrie Doppler de phase, la vélocimétrie par image de particules, les sondes optiques à détection de phase sont déjà maîtrisées, ainsi que les routines de post-traitement pour accéder à la taille des gouttes, à la vitesse, à la concentration et aux statistiques combinées, comme cela a été le cas dans les contributions précédentes des deux groupes. Tout l’équipement nécessaire est disponible. Le doctorant passera les 18 premiers mois à Lille tandis que le reste du temps sera à Seattle .

– Le doctorant explorera comment générer une interface turbulente/non turbulente dans les deux souffleries. Ceci peut être réalisé au moyen d’un réseau actif au LMFL ou en changeant le système d’injection à l’Université de Washington. L’étudiant poursuivra un travail antérieur, où une interface a été réalisée dans la soufflerie de Seattle (voir Ferran et al. 2024).

– Enfin, une étude systématique du clustering des particules inertielles sur l’interface turbulente/non turbulente sera réalisée : la forme et l’orientation des clusters sur un tel écoulement, le rôle de la gravité et de l’entraînement, etc…

Les résultats attendus sont les suivants : (i) produire des informations sur le comportement des écoulements chargés de particules en présence d’une interface turbulente/non turbulente, (ii) quantifier les propriétés de clustering sur l’espace des paramètres (qui inclut la turbulence paramètres, le nombre de Stokes, l’orientation de la gravité) et (iii) produire des modèles simples pour quantifier un tel phénomène.

Figure 2 : Soufflerie de l’Université de Washington. Les jets d’air ont généré des turbulences.

Les références

· Ferran, A., Obligado, M. et Aliseda, Alberto, Particules inertielles dans une interface turbulente/turbulente. Préimpression disponible sur SSRN :  https://ssrn.com/abstract=4789293  ou  http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4789293 (2024).

· Ferran, A., Machicoane, N., Aliseda, A. et Obligado, M. Une étude expérimentale sur la vitesse de sédimentation des particules inertielles dans différents écoulements turbulents isotropes homogènes. Journal de mécanique des fluides, 970, p.A23 (2023).

· Aliseda A., Cartellier A., ​​Hainaux F. et Lasheras J., Effet de la concentration préférentielle sur la vitesse de sédimentation des particules lourdes en turbulence isotrope homogène. J. Fluid Mech., 468, pages 77 à 105 (2002).

· Sumbekova S., Cartellier A., ​​Aliseda A. et Bourgoin M., Concentration préférentielle des particules inertielles sous-Kolmogorov. Les rôles du chargement massique des particules, les nombres de Stokes et de Reynolds. Phys. Rév. Fluides 2, 024302 (2017).

· Balachandar, S., Eaton, John K., Flux multiphase dispersé turbulent, Revue annuelle de la mécanique des fluides , 42, pp. 111-133 (2010).

· Gerashchenko, S., Warhaft, Z, Statistiques d’entraînement conditionnel de particules inertielles à travers des interfaces turbulentes sans cisaillement.  Expériences dans les fluides 54 : 1631 (2013).

· Good, G., Gerashchenko, S., Warhaft, Z., Intermittence et entraînement inertiel de particules à une interface turbulente : L’effet des tourbillons à grande échelle. Journal de mécanique des fluides, 694 , 371-398 (2012).