Chute d'un nuage de particules dans une turbulence diffusive. Etude des couplages entre phases par diagnostics optiques

Abstract

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 cette étude où la fraction moyenne volumique en particules est de l'ordre de 10-5. 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.