Particles settling dynamics - ENSTA Paris - École nationale supérieure de techniques avancées Paris Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Particles settling dynamics

Dynamique de sédimentation de particules

David de Souza
  • Fonction : Auteur

Résumé

The dynamics of heavy inertial particles evolving in a fluid are of interest in many fields.They are found both in nature (water droplets in clouds, sediments in rivers and in the oceans, planetary accretion disks) and in human activities and technological applications (fuel drops in combustion chambers, chemical reactors).These systems are complex, their modelling using often strong simplifying hypotheses, and experimental data is still required in their study.A large range of behaviours can be found in such dispersed two-phase flows.This work focuses on two of these.The first is clustering, or the observation that particles accumulate in specific regions and leave others void.The second is settling velocity alteration, as particles have been observed to fall either faster or slower than in a quiescent fluid.These two phenomena are intertwined, and depend on parameters like the size and density of the particles, what the carrier phase is (water or air usually) and whether it is in a quiescent or turbulent state.An experimental device was built in which small (diameters of at most 200 µm) solid particles settle in water.Particles of various densities have been separated by size by sieving.This allows access to a large variety of particle properties.An easy to implement double-measurement technique allowing simultaneous measurements of particle and fluid velocities was developed, providing insight into particle-fluid interactions that was seldomly achieved in previous works.Increases of the settling velocity of particles falling in a quiescent fluid have been observed and could be attributed to the development of a flow that pushes the particles down.Voronoï analysis were also performed, but could not confirm with certainty whether particles formed clusters or not.This work gives interesting data, relevant in the study of particles settling in quiescent fluids in closed spaces.It also provides a reference point for future works where turbulence will be added to the system.
La dynamique de particules inertielles lourdes évoluant dans un fluide présente un intérêt dans de nombreux domaines.On les trouve aussi bien dans la nature (gouttes d'eau dans les nuages, sédiments dans les rivières et les océans, disques d'accrétion planétaire) que dans des activités humaines et applications technologiques (gouttes de carburant en chambres de combustion, réacteurs chimiques).Ces systèmes sont complexes, leur modélisation requérant des hypothèses simplificatrices souvent fortes, et leur étude nécessite encore des données expérimentales.De nombreux comportements sont observés dans ces écoulements diphasiques dispersés.Cette thèse s'intéresse à deux d'entre eux.D'abord le clustering, phénomène où les particules s'accumulent dans des régions spécifiques et en laissent d'autres vides.Le second est l'altération de la vitesse de sédimentation, des particules tombant plus vite ou plus lentement que dans un fluide au repos.Ces phénomènes sont liés, et dépendent de paramètres comme la taille et la densité des particules, de la phase porteuse (eau ou air généralement) et de si celle-ci est au repos ou dans un état turbulent.Un dispositif expérimental a été construit dans lequel de petites particules solides (diamètre maximal de 200 µm) sédimentent dans de l'eau.Des particules de différentes densités ont été séparées par taille par tamisage.Ceci a permis d'accéder à une large gamme de paramètres pour les particules.Une technique de double mesure simple à mettre en œuvre permettant de mesurer simultanément la vitesse des particules et du fluide a été développée, fournissant un aperçu des interactions particules-fluides rarement réussi jusqu'à présent.Des augmentations de la vitesse de sédimentation des particules tombant dans un fluide au repos ont été observées et ont été attribuées au développement d'un écoulement descendant, poussant les particules.Des analyses de Voronoï ont également été effectuées, mais n'ont pas pu déterminer avec certitude si les particules formaient des amas ou non.Ce travail fournit des données intéressantes, pertinentes pour l'étude des particules qui sédimentent dans des fluides au repos en espace clos.Il fournit également un point de référence pour de futurs travaux où la turbulence sera ajoutée au système.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03227270 , version 1 (17-05-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03227270 , version 1

Citer

David de Souza. Particles settling dynamics. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Institut Polytechnique de Paris, 2021. English. ⟨NNT : 2021IPPAE003⟩. ⟨tel-03227270⟩

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