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Thèse A. Boutsikakis - 12 novembre

23 octobre

« Numerical simulation and physical analysis of the dispersion of charged inertial particles transported by stationary homogeneous isotropic turbulence »

Soutenance de thèse Athanasios Boutsikakis
Sous réserve d’autorisation

Jeudi 12 Novembre à 14 h 00 Amphithéâtre Nougaro (25 places)

Résumé :

Dans ce travail de thèse, nous étudions par simulation numérique l’effet des charges électriques sur la dispersion de particules transportées par un écoulement turbulent. Les équations de Navier-Stokes sont résolues par Simulations Numériques Directes (approche spectrale) couplées avec un solveur Lagrangien afin de calculer les trajectoires de chaque particule. Un forçage stochastique permet d’obtenir des écoulements turbulents statistiquement homogènes, isotropes et stationnaires. Dans la thèse, une méthode originale pour la prise en compte des forces électrostatiques a été développée et validée sur des configurations élémentaires. Dans cette méthode, les interactions à courte distance sont estimées via une somme des interactions inter-particules à une distance de coupure et celles à longue distance via une somme d’interactions de particules avec des paquets de particules qui, à une distance supérieure à la distance de coupure, sont considérés comme des pseudo-particules. La convergence, la précision et le coût de calcul de la méthode ont été étudiés en détail pour sa mise en œuvre pour des domaines tri-périodiques. L’ensemble de ces développements a été réalisé dans un code parallèle qui a permis d’effectuer des simulations sur un supercalculateur d’écoulements
gaz-particules contenant jusqu’à 2 105 particules.
Dans un premier temps, l’analyse d’écoulements granulaires secs a permis de définir une échelle de temps caractéristique de l’effet des charges électriques et de la relier aux caractéristiques physiques des particules notamment le diamètre et leur agitation. Le mécanisme de transformation de l’énergie potentielle électrique en énergie cinétique des particules est analysé en fonction de cette échelle de temps. Dans un second temps, des simulations de turbulence homogène isotrope transportant des particules chargées de même signe ont été réalisées en faisant varier leur diamètre (nombre de Stokes dynamique) et leur charge (nombre de Stokes électrostatique). Les simulations montrent que, pour un Stokes dynamique donné, l’augmentation de la charge des particules conduit à une diminution de l’agitation de celles-ci alors que les forces électrostatiques (répulsives) sont conservatives. L’analyse détaillée montre qu’en fait, les forces électrostatiques conduisent à une destruction de la corrélation des vitesses fluide-particules qui, selon la théorie de Tchen-Hinze, pilote l’agitation des particules.
Outre l’agitation, la distribution spatiale des particules est aussi considérablement modifiée par les forces électrostatiques. En effet, les charges diminuent les valeurs de la fonction de distribution de paire à courte distance ce qui signifie que le phénomène de concentration préférentielle des particules est diminué. Dans le cas limite de fortes charges il est même com- plètement éliminé puisque que les forces électrostatiques tendent à uniformiser la distribution spatiale des particules. En effet, chaque particule a tendance à former une zone d’exclusion autour d’elle en raison de la forte répulsion à courte distance. Les fonctions de distribution de vitesse relative de paires de particules sont elles aussi affectées par la présence des charges. Enfin, l’effet de la fraction volumique des particules est examiné, où il est montré que son augmentation conduit à une densité d’énergie potentielle électrique du nuage des particules chargées plus élevée qui conduit à une augmentation de l’agitation des particules.

Mots clés : interaction électrostatique, interaction particule-turbulence, théorie de Tchen- Hinze, dispersion, concentration préférentielle

Jury :

  • Cristian MARCHIOLI Maître de Conférences Rapporteur
  • Ivana VINKOVIC Professeur d’Université Rapporteure
  • Berend Van WACHEM Professeur d’Université Examinateur
  • Raymond SHAW Professeur d’Université Examinateur
  • Mathieu GUINGO Ingénieur de Recherche Examinateur
  • Pascal FEDE Maître de Conférences Directeur de thèse
  • Olivier SIMONIN Professeur d’Université Co-directeur de thèse