Near-wall dynamics of neutrally buoyant particles in a wall-normal flow

Dynamique de particules à flottabilité nulle dans un écoulement proche paroi normal Les suspensions rencontrées dans diverses applications d’ingénierie (telles que l’extraction de pétrole brut, l’élaboration d’aliments, de béton ou de produits cosmétiques) peuvent présenter une dynamique riche lorsqu’elles sont soumises à un écoulement dans des géométries complexes. Il est important de savoir prédire la réponse de ces matériaux hétérogène sous écoulement compte tenu des applications. Pour construire des modèles prédictifs, il est indispensable de comprendre les phénomènes à différentes échelles, dans diverses configurations telles que l’écoulement d’une dispersion solide-liquide dans un coude ou dans un canal en forme de T, le mélange de cette dispersion par un agitateur, etc. Les écoulements de suspension normaux à un obstacle ont reçu peu d’attention (le fluide porteur étant liquide). Dans ce contexte, nous avons examiné la dynamique des particules dans l’écoulement de Hiemenz (un écoulement de type couche limite incident à une paroi), à l’aide de simulations numériques. Nous nous sommes concentrés essentiellement sur une ou deux particules de même densité que le fluide, et de taille finie comparée à l’épaisseur de couche limite (les particules ont une inertie finie près de la paroi car elles sont forcées de s’arrêter à la paroi). Nous avons utilisé des simulations numériques directes afin de mesurer le glissement des particules par rapport à l’écoulement local, la force d’interaction de nature hydrodynamique ainsi que la perte d’énergie. Toutes ces quantités ont été déterminées en tant que fonctions uniques du rapport entre la taille des particules et l’épaisseur de la couche limite visqueuse. Les simulations ont mis en évidence que l’approche d’une particule vers la paroi, suivant l’axe de symétrie de l’écoulement, subit une transition d’un régime de ralentissement dominé par les effets visqueux à un régime de type rebond, cette transition prenant place pour une taille de particule O. Nous avons établi un modèle pour la force hydrodynamique exercée sur la particule s’approchant de la paroi et pour le coefficient de restitution en écoulement normal à la paroi. Pour deux particules identiques sur l’axe, certaines séparations conduisent à une collision de particules avant que la particule inférieure (la plus proche de la paroi) ne touche la paroi; l’échange de quantité de mouvement qui en résulte conduit à une vitesse d’impact supérieure à celle d’une particule particule isolée. Les simulations révèlent que la dynamique de la paire inclut un rebond sans contact de la particule inférieure avec la paroi, en raison de la mise à l’abri par la particule supérieure contre la tranée, permettant à la force de pression de dominer.