Stochastic modelling of non-spherical particles in turbulence

Modélisation stochastique de particules non sphériques en turbulence Le mouvement de petites particules non-sphériques en suspension dans un écoulement turbulent a lieu dans une grande variété d’applications naturelles et industrielles. Par exemple, ces phénomènes impactent la dynamique des aérosols dans l’atmosphère et dans les voies respiratoires, le mouvement des globules rouges dans le sang, la dynamique du plancton dans l’océan, la glace dans les nuages ou bien la combustion. Les particules anisotropes réagissent aux écoulements turbulents de manière complexe. Leur dynamique dépend ainsi d’un large éventail de para- mètres (forme, inertie, cisaillement du fluide). Les particules sans inertie, dont la taille est inférieure à la longueur de Kolmogorov, suivent le mouvement du fluide avec une orientation généralement gouvernée par le gradient local de vitesse turbulente. Cette thèse est axée sur la dynamique de tels objets en turbulence en ayant recours à des méthodes Lagrangienes stochastiques. Le développement d’un modèle qui peut être utilisé comme outil prédictif dans le cadre de la dynamique de fluides numérique (CFD) au niveau industriel est d’un grand intérêt pour les applications concrètes en ingénierie. Par ailleurs, pour progresser dans le domaine de la médecine, de l’environnement et des procédés industriels, il est nécessaire que ces modèles atteignent un compromis acceptable entre simplicité et précision. La formulation d’un modèle stochastique pour l’orientation de telles particules est tout d’abord présentée dans le cadre d’un écoulement turbulent bidimensionnel avec un cisaillement homogène. Des simulations numériques directes (DNS) sont produites pour guider et évaluer la proposition de modèle. Les questions abordés dans ce travail portent sur la représentation de formes analytiques du modèle, sur les effets des anisotropies inclues dans le modèle, et sur l’extension de la notion de dynamique rotationnelle dans le cadre de cette approche stochastique. Les résultats obtenus avec le modèle, comparés avec la DNS, produisent une réponse qualitative acceptable, même si ce modèle diffusif n’est pas conçu pour reproduire les caractéristiques non-gaussiennes des expériences numériques (DNS). L’extension au cas tridimensionnel du modèle d’orientation pose le problème de son implé- mentation numérique efficace. Dans ce travail, un schéma numérique capable de simuler la dynamique d’orientation de telles particules, à un coût de calcul raisonnable, est introduit. La convergence de ce schéma est également analysée. Pour ce faire, un schéma fondé sur la décomposition de la dynamique a été développé pour résoudre les équations différen- tielles stochastiques (EDS) de rotation de ces particules. Cette décomposition permet de surmonter les problèmes d’instabilité typiques de la méthode Euler–Maruyama; on a ainsi obtenu une convergence en norme L2 d’ordre 1/2 et une convergence faible d’ordre 1, comme classiquement attendu. Enfin, le schéma numérique a été implémenté dans un code CFD industriel (Code_Saturne). Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier l’orientation et la rotation de particules anisotropes sans inertie dans le cas d’un écoulement turbulent inhomogène, à savoir un écoulement de canal plan turbulent. Cette application dans un cas pratique a permis de mettre en evidence deux difficultés liées au modèle : d’abord, l’implémentation numérique dans un code industriel, ensuite la capacité du modèle à reproduire les expériences numériques obtenues par DNS. Ainsi, le modèle stochastique Lagrangien pour l’orientation de sphéroïdes implémenté dans Code_Saturne permet de reproduire, avec certaines limites, les statistiques d’orientation et de rotation de sphéroïdes mesurées dans la DNS.