Analysis and Modelling of induced-turbulence in two-phase flows

Analyse et modélisation de la turbulence induite dans des écoulements diphasiques La présente thèse porte sur l’étude et la modélisation des écoulements turbulents diphasiques avec un intérêt particulier pour les mécanismes de turbulence induite par une phase dispersée. L’objectif est de proposer des modèles réduits d’intérêt pour les applications et de comprendre la physique à la base du problème à travers de simulations numériques directes (DNS). Ce travail se compose de deux parties. Dans la première partie l’attention est portée sur les écoulements gaz-particules solides de petite taille en suivant une approche eulérienne (pour le fluide) - lagrangienne (pour les particules). Nous avons proposé un modèle lagrangien stochastique pour le suivi des particules dans un champ de vitesse à grandes échelles (Large-Eddy-Simulation) dans le cas d’écoulements dilués, c’est à dire où la concentration des particules est petite et on peut négliger l’effet des particules sur le fluide. Le modèle a été testé pour un canal plan turbulent avec des résultats très proches de la DNS. Ensuite nous avons proposé un modèle pour les écoulements denses (fraction de masse de la phase solide dispersée élevé), avec un couplage de type “two-way”, avec la prise en compte des collisions d’un point de vue statistique. Dans le modèle, nous avons choisi de séparer la vitesse des particules dans une composante spatialement corrélée et un résidu décorrelé, et cela nous a permis de considérer correctement l’effet des collisions et de définir différents temps caractéristiques, essentiels pour modéliser les deux différentes parties. Ce modèle a été testé et validé dans plusieurs cas homogènes et non-homogènes, avec un intérêt particulier pour la turbulence induite par les particules (Cluster-Induced-Turbulence). La deuxième partie est consacrée à l’étude du mouvement de remontée des bulles gazeuses dans un liquide. Tel problème a été traité avec un code numérique (Basilisk) qui résout les deux fluides ainsi que l’interface avec une méthode “Volume-Of-Fluid”. En utilisant une configuration périodique avec une seule bulle, afin de valider le code numérique, différents cas de la littérature ont été analysés. L’attention a été consacrée d’abord sur plusieurs problèmes techniques, comme les critères pour le raffinement local du maillage adaptatif et le rapport entre les densités des deux fluides. Ensuite nous avons étudié une configuration de colonne de bulles, caractérisée par une couche avec une fraction volumique élevé de bulles, posés initialement sur le fond d’un réservoir et qui, grâce à la force de flot- tabilité, remontent dans le fluide. Avec une étude des spectres et des PDFs nous avons caractérisé les fluctuations induites par les bulles dans le fluide.