Dynamics of fibres in viscous and turbulent flows : an experimental and numerical study

Dynamique des fibres en écoulements visqueux et turbulents : une étude expérimentale et numérique Dans cette thèse, l'influence de l'inertie et de la flexibilité sur la dynamique des particules allongées dans les écoulements a été étudiée. En particulier, des expériences originales ont été conçues et réalisées pour comprendre les effets de la petite inertie sur la dynamique rotationnelle de particules individuelles axisymétriques à flottabilité neutre dans un écoulement de cisaillement, tandis que des simulations précises ont été menées pour examiner l'effet de la flexibilité dans un écoulement turbulent d'une suspension de fibres limitée par des parois. Très riche en physique, le problème considéré dans ce travail est d'une grande portée d'un point de vue fondamental, mais il a également une importance pratique car il est pertinent pour plusieurs processus environnementaux et d'ingénierie. Dans la première partie de ce manuscrit, nous présentons l'étude expérimentale examinant l'influence de la petite inertie sur la dynamique de rotation de une seule particule axisymétrique en suspension dans un écoulement à cisaillement simple. Une cellule de cisaillement sur mesure et une méthode de reconstruction de forme multi-vues sont utilisées pour obtenir des mesures directes de l'orientation et de la période de rotation de particules cylindriques et ellipsoïdales de différents rapports d'aspect. En modifiant systématiquement la viscosité du fluide, nous examinons l'effet de l'inertie sur le comportement dynamique de ces particules en suspension jusqu'à un nombre de Reynolds d'environ un. Alors qu'aucun effet significatif sur la période de rotation n'est trouvé dans ce régime à faible inertie, une dérive systématique parmi plusieurs rotations vers des orbites stables limites est observée. Les particules "prolate" dérivent vers l'orbite de culbute dans le plan de cisaillement, tandis que les particules "oblate", quelque soit leur rapport d'aspect, sont entraînées soit vers l'orbite de culbute, soit vers l'orbite de rotation alignée avec la vorticité, en fonction de leur orientation initiale. Ces résultats sont comparés aux récentes théories asymptotiques en régime de petite inertie. La deuxième partie du manuscrit se concentre sur l'étude numérique, qui a été menée au moyen d'une approche de calcul eulérienne-lagrangiénne basée sur la DNS de la turbulence couplée à la LPT de fibres allongées et flexibles dispersées dans un écoulement en canal. Les particules sont modélisées comme des chaînes de tiges sub-Kolmogorov contraintes qui s'étendent bien dans la plage inertielle de la turbulence et sont naturellement enclines à la flexion. Les statistiques sont présentées au nombre de Reynolds de cisaillement Re tau = 300, mettant en évidence l'interaction complexe entre les fibres et la turbulence, tout en évaluant l'influence de la rigidité de flexion et de l'inertie. Dans le coeur de l'écoulement, les fibres flexibles s'orientent et tournent comme s'il s'agissait de particules rigides dans une turbulence isotrope homogène, alors que les mêmes particules s'orientent avec l'écoulement moyen et connaissent des taux de rotation plus élevés lorsqu'elles se déplacent vers les parois. En examinant la déformation des particules, nous constatons que la configuration la plus probable pour les longues fibres flexibles dans la turbulence de paroi est une configuration étirée. La dynamique de la déformation des particules est discutée, donnant un aperçu de sa relation avec l'activité de la turbulence à petites échelles. Enfin, nous discutons de l'efficacité des fibres longues et minces comme agents de réduction de la traînée dans les écoulements turbulents de canaux à Re tau = 150,300. La présence des particules détermine une contrainte non-newtonienne dans l'équilibre du moment axial de l'écoulement turbulent en canal, influençant les moments de premier et de second ordre de la vitesse du fluide. L'analyse des spectres et du bilan de l'énergie cinétique turbulente permet de comprendre le mécanisme responsable de la réduction de la traînée