Academic literature on the topic 'Particules (matière) – Dynamique des fluides'

Cette thèse porte sur la dynamique de particules inertielles dans des écoulements instationnaires. Qu'il s'agisse de gouttelettes d'eau dans les nuages chauds ou de poussière dans les disques circumstellaires, de telles impuretés se découplent de la dynamique de l'écoulement et se répartissent de façon hétérogène. La modélisation des interactions microphysiques entre particules nécessite alors de comprendre et de quantifier ce phénomène de concentration préférentielle. L'apparition de telles hétérogénéités s'explique par la présence simultanée de deux mécanismes. D'une part, l'inertie des particules les conduit par effet centrifuge à se détacher des tourbillons de l’écoulement pour se concentrer dans les zones d'étirement. D'autre part, la dynamique des particules étant dissipative, celles-ci se concentrent aux temps longs sur un attracteur fractal. Ces effets sont généralement étudiés de façon séparée en considérant soit des écoulements stationnaires, soit des écoulements sans corrélation temporelle et donc dépourvus de structures. J'introduis dans cette thèse un modèle d'écoulement aléatoire ayant un temps de corrélation fini (mesuré par un nombre de Kubo) et qui couvre ces deux cas. Cette approche me permet d'identifier et d'étudier de façon analytique différents régimes de la dynamique des particules en fonction de ce paramètre ainsi que du nombre de Stokes mesurant l'inertie des particules. La richesse de ce modèle permet de mettre en évidence la complexité de l'interférence entre les deux mécanismes conduisant à des concentrations préférentielles<br>This thesis deals with the dynamics of inertial particles in non-stationary flows. Whether there are droplets in warm clouds or dust grains in circumstellar disks, such impurities decouple from the flow dynamics and distribute in a heterogeneous manner. Modeling the microphysical interactions between particles thus requires understanding and quantifying this phenomenon of preferential concentration. The origin of such heterogeneities is explained by the simultaneous presence of two mechanisms. On the one hand particles inertia make them detach by centrifugal effect from the flow vortices and concentrate in straining regions. On the other hand, as the particle dynamics is dissipative, they concentrate at long times on a fractal attractor. Such effects are generally studied separately by considering either stationary flows or flows without temporal correlation and thus where structures are absent. In this thesis, I introduce a random flow model having a finite correlation time (measured by a Kubo number) that encompasses these two cases. This approach allows me to identify and study analytically various regimes of the particle dynamics as a function of this parameter and of the Stokes number that measures particle inertia. The richness of this model gives evidence of how complex is the interference between the two mechanisms leading to preferential concentration

Dans ce travail, les trajectoires 3-D de particules marquées dans un lit fluidisé liquide ont été mesurées par vidéo dans un milieu d’indices optiques ajustés, dans une plage étendue de concentration. Les paramètres de l’écoulement étudié correspondent à des nombres de Reynolds particulaire élevés (O(10)<br>Besides its interest as an industrial application in various processes, liquid fluidization builds up an interesting test case regarding the validation of two-phase flow modelling. The lack of reliable and detailed experimental data about particle agitation in this type of flow is one important motivation to this study. In this work, the random motion of mono-dispersed particles in a liquid fluidized bed has been measured and processed from video recordings, using a refractive index matching method. 3-D trajectories of coloured particles have been collected in a wide range of solid fraction, and statistical quantities have been derived in the range of high particle Reynolds number (O(10)

L'objectif de l'étude est de mettre en place un dispositif expérimental et une méthode non destructive basée sur une expérience de déplacement de gaz pour accéder simultanément aux propriétés de structure et de transport d'un assemblage granulaire non dense. Les mesures sont réalisées sur des empilements de particules sphériques monotailles de différentes granulométries, ainsi que sur des particules non sphériques afin de comprendre les effets de taille et de forme des particules sur la porosité, la tortuosité et la perméabilité. L'objectif ultime est d'utiliser ce même dispositif pour la mesure de ces propriétés évolutives au cours d'un processus de lixiviation de billes de verre, préalablement enrobées par un polymère. Ainsi, l'expérience de déplacement de gaz permet la caractérisation de l'assemblage granulaire et l'utilisation d'un liquide permet l'altération du milieu. L'accès aux propriétés évolutives est rendu possible par l'alternance entre les alimentations gazeuse et liquide<br>This study describes a non destructive experimental method based on following a gas displacement to give the simultaneous measurement of granular and transport properties in a loose random packing subject to dissolution of one component. Measurements are made on packing of monosized spheres for different sizes of particles and of monosized nonspherical particles in order to understand the influence of particles size and shape on porosity, tortuosity and permeability. These experiments are followed by similar measurements during a leaching process of a glass bead packing, which have been previously coated with a polymer in a fluidised bed apparatus. Thus, the gas displacement experiment allows characterising the granular packing and the use of a liquid allows the alteration of the media. The alternation of gas and liquid flows through the granular packing give an information on how the structure properties are modified during the leaching process

Ce travail aborde, à l'aide de simulations Lagrangiennes, la description du comportement rhéophysique d'une suspension de particules solides sphériques en écoulement cisaillé. Les effets de l’inertie du fluide, de l'agitation Brownienne et de la gravité sont négligés. Les suspensions étudiées sont classées en deux grandes familles, en fonction de l'inertie de la phase dispersée caractérisée par le nombre de Stokes. A très petit nombre de Stokes, les suspensions sont de type liquide-solide où le fluide est très visqueux. Le modèle de simulation "Force Coupling Method" est utilisée pour simuler les interactions hydrodynamiques qui contrôlent la dynamique de ces suspensions. Cette méthode se base sur un développement multipolaire de la perturbation de vitesse induite par la présence des particules dans le fluide porteur. L'évolution de quantités macroscopiques en fonction de la fraction volumique du solide [φ=1-20%] est analysée dans des suspensions monodisperses. Les résultats (fluctuations de vitesse, auto-diffusion, auto-corrélation des vitesses et distribution spatiale de paires de particules…) confortent les tendances observées dans plusieurs études de la littérature. Nous montrons que l’agitation des particules induit un comportement diffusif dont l’intensité est une fonction croissante de la concentration. Le niveau d’agitation mais aussi le temps de diffusion augmentent lorsque les interactions multi-corps contrôlent la dynamique de la suspension. Les effets de lubrification associés à des particules proches du contact sont résolus précisément. Ceci permet d'utiliser la FCM pour simuler des suspensions de concentration plus élevée (allant jusqu'à 35%), et de quantifier leur viscosité effective. Le modèle de simulation est étendu aux cas de suspensions bidisperses. L'impact de la variation du rapport de taille ou de concentration sur les statistiques (des deux espèces) est examiné pour une fraction volumique constante de la phase dispersée. Pour un rapport de concentration fixe, nous avons trouvé qu'un rapport de taille croissant entraîne une augmentation (resp. Diminution) du niveau de fluctuation des petites (resp. Grosses) particules. Quand le rapport de taille et la concentration totale sont fixes, l'augmentation du nombre de grosses particules entraîne l'augmentation du taux de fluctuation et de la diffusion des deux espèces. Les suspensions caractérisées par un nombre de Stokes modéré ou grand sont en général de type gaz-solide. Un modèle de simulation basé sur l’intégration des trajectoires de particules assimilées à des sphères dures est utilisé pour simuler la dynamique de la suspension. Le mouvement des particules est uniquement contrôlé par les collisions et par la force de traînée sur une particule isolée. Les simulations montrent que les propriétés de la suspension dépendent fortement de l'inertie des particules et de la concentration. La variation du nombre de Stokes de 1 à 10 induit une augmentation de l'agitation des particules de trois ordres de grandeur, et une évolution de la distribution de vitesse d'une forme très piquée (proche d’un Dirac) à une forme Maxwellienne. Les résultats numériques sont confrontés aux prédictions de deux modèles issus de la théorie cinétique des milieux granulaires adaptés aux nombres de Stokes modérés: la fonction Dirac (resp. Maxwellienne déviée) est utilisée pour décrire les suspensions faiblement (resp. Fortement) agitées. Une nouvelle théorie pour déterminer les coefficients du tenseur d'auto-diffusion Lagrangienne est développée et validée avec les résultats des simulations. Les coefficients de diffusion et la viscosité de la phase solide sont également confrontés aux modèles théoriques utilisés pour la prédiction d’écoulements complexes. L'effet de l'inélasticité sur les quantités statistiques est également discuté. La conclusion de ce document fait la synthèse de tous ces résultats en proposant une approche unifiée de l’évolution de la viscosité effective du mélange fluide/particules. Une modification de la méthode FCM est proposée pour modéliser simultanément l'inertie des particules et les interactions hydrodynamiques<br>Lagrangian simulations are used to study the rheophysics of sheared suspensions of spherical particles. The effects of the fluid inertia, the Brownian diffusion and the gravity are neglected. Depending on the particle inertia characterized by the Stokes number, the suspensions are divided into two major classes. The limit of vanishingly small Stokes numbers corresponds to solid particles suspended in a very viscous fluid. The "Force Coupling Method" is used to model the direct hydrodynamic interactions controlling the dynamics of these monodisperse suspensions. This method is based on a finite multipole expansion of the velocity field perturbation induced by each particle. The motion of all the suspension particles is simultaneously coupled through the direct solution of the Stokes equations written for the carrying fluid flow. The macroscopic evolution is studied while the solid volume fraction is increased from low to moderately concentrated [φ=1-20%]. The results (velocity fluctuation, self-diffusion, velocity auto-correlation and spatial distribution of pairs. . . ) are in agreement with several former studies of the literature. We showed that the particle agitation is enhanced by increasing the concentration and leads to a diffusive behavior of the suspension. The agitation level and the characteristic diffusion time are increasing as many-body hydrodynamic interactions control the suspension dynamics. The accuracy of the method is improved by calculating the exact lubrication forces for particle pairs near contact. Hence, this allows to simulate larger suspension concentrations (up to 35%), and to quantify the effective viscosity in this regime. The model is extended to the bidisperse suspension configurations. The dependence of the statistical quantities (of both species) on the size ratio and concentration ratio is discussed for a fixed total volume fraction. For a constant concentration ratio, we obtained that an increase of the size ratio enhances (resp. Reduces) the fluctuation level of the small (resp. Large) particles. The increase large particle number induces a significant enhancement of the fluctuations and self-diffusion of both species. The suspensions characterized by moderate to high Stokes numbers are generally of gas-solid type. A hard-sphere collision model coupled with the particle Lagrangian tracking is used to simulate the suspension dynamics. The particle motion is controlled by only the drag force and particle collisions. The simulations show that the suspension properties depend strongly on the particle inertia and concentration. Increasing the Stokes number from 1 to 10 induces an enhancement of the suspension agitation by three orders of magnitude, and an evolution of the velocity distribution function from a highly peaked (close to the Dirac delta function) to a Maxwellian shape. The numerical results are compared to the predictions of two theoretical models based on the kinetic theory of granular flows adapted to moderate inertia regimes. The velocity distribution used for weakly (resp. Highly) agitated suspensions is the Dirac delta (resp. Deviated Maxwellian) function. A new prediction of the Lagrangian self-diffusion tensor is proposed and validated by the simulations results. The diffusion coefficients and solid phase viscosity are compared to the classical models used in engineering applications. The inelasticity effect on the statistical quantities is discussed as well. The conclusion of the manuscript proposes a unified approach of all the results related to the evolution of the effective viscosity in the bulk. A modification of the Force Coupling Method is proposed to properly simulate the particle inertia and hydrodynamic effects

Cette recherche avait pour vocation l'étude de l'hydrodynamique d'un réacteur à lit fluidisé circulant (L. F. C. ), en particulier, quand deux populations de particules y sont mises en œuvre simultanément. Le L. F. C. Utilisé, d'une hauteur de 10m, était constitué d'une colonne de transport de diamètre interne 144 mm, d'un système de séparation gaz-solides et d'une ligne de retour des solides. Il fonctionnait avec de l'air atmosphérique et à température ambiante. La gamme de vitesse de gaz utilisés s'étendait de 2 à 8 m/s, les flux moyens de solides variaient de 0 à 60 kg/m2/s et les concentrations massiques moyennes dans la colonne étaient comprises entre 0 et 30 kg/m3. Les solides étudiés étaient du sable (diamètre moyen de 200 m et masse volumique de 2 650 kg/m3) et du support de catalyseur de craquage (diamètre moyen de 50 m et masse volumique de 1 200 kg/m3). L'objectif final de ce travail étant l'étude du transport vertical d'un mélange bisolides, il a fallu dans un premier temps chercher à caractériser individuellement le comportement de chacune des espèces solides composant le mélange ; cette caractérisation passait par la mise en évidence de structures d'écoulement associées a l'apparition de régimes d'écoulement. C'est à partir de l'analyse des résultats propres au transport vertical d'une population unique de particules qu'il a été possible de mieux comprendre le comportement hydrodynamique d'un mélange de deux espèces solides. Cette recherche a permis de mettre en relief l'existence systématique de deux régimes d'écoulement séparés par une transition brutale, et ce, quelque soit le type de solide transporté, en mélange comme seul. Il a été démontré que chacun de ces régimes possède sa propre structure d'écoulement caractérisée par la loi de variation des flux locaux en fonction des variables globales (flux moyen ou concentration moyenne dans la colonne). Par ailleurs, ces caractéristiques hydrodynamiques ont corroboré certaines conclusions théoriques relatives aux lois gouvernant les champs de concentration et de vitesse locale des particules dans l'écoulement. Enfin, avec l'appui d'un modèle théorique basé sur l'existence d'un effet de seuil affectant l'évolution de la turbulence du gaz lors de l'accroissement de la concentration locale, il a été possible d'expliquer l'apparition des transitions de régimes d'écoulement lors du transport de particules en mélange comme seules.

Une vésicule est un système modèle utilisé pour comprendre le comportement dynamique en écoulement d’une particule molle fermée telle qu’un globule rouge. La membrane bicouche lipidique inextensible d’une vésicule admet une résistance d’élasticité en flexion. Lorsque dégonflée, c’est-à-dire pour un grand rapport surface sur volume, une vésicule présente des changements de formes remarquables. Des progrès significatifs ont été réalisés au cours des dernières décennies dans la compréhension de leur dynamique en milieu infini. Ce manuscrit s’intéresse à la transition de formes et à la migration latérale d’une vésicule dans des écoulements confinés. L’approche est numérique, basée sur une méthode aux éléments finis de frontière (BEM) isogéométrique. Partant d’une version existante pour les écoulements de Stokes non confiné, un code original est développé pour prendre en compte les parois de microcanaux de section transversale arbitraire. L’essentiel des études porte sur la dynamique d’une vésicule transportée par un écoulement de Poiseuille dans une conduite de section circulaire. Tout d’abord, nous examinons les formes typiques des vésicules, les différents modes de migration latérale et la structure de l’écoulement des lipides dans la membrane, en fonction des trois paramètres sans dimension caractéristiques : le volume réduit, le confinement et le nombre capillaire (de flexion). Les transitions de forme et le diagramme de phase de formes stables pour plusieurs volumes réduits sont obtenus dans l’espace (confinement, nombre capillaire). Ils montrent une extension de l’ensemble des morphologies de la vésicule. L’interaction complexe entre la paroi du tube, les contraintes hydrodynamiques et l’élasticité de flexion de la membrane conduit à une dynamique bien plus riche. Nous étudions ensuite, via une version axisymétrique du modèle, le comportement de la vésicule lorsque des conditions de confinement deviennent sévères et imposent des formes de vésicule axisymétriques. Un accent particulier est mis sur la prédiction de la mobilité de la vésicule et de la perte de charge additionnelle induite par la présence de la vésicule. Cette dernière est importante pour comprendre la rhéologie d’une suspension diluée. De plus, sur la base des résultats numériques du comportement proche du confinement maximal, nous établissons plusieurs lois d’échelle portant sur la vitesse de la vésicule et sa longueur, ainsi que sur l’épaisseur du film de lubrification. Enfin, nous présentons un modèle hybride BEM–coarse-graining permettant d’adjoindre un cytosquelette à une vésicule pour étendre nos études au cas des globules rouges. La modélisation coarse-graining du cytosquelette repose sur un réseau de ressorts identifié à l’ensemble des arêtes du maillage d’éléments finis de la membrane de la vésicule. Les résultats numériques montrent que ce modèle à deux composants vésicule–cytosquelette est capable d’extraire les propriétés mécaniques des globules rouges et de prédire sa dynamique dans les écoulements de fluide<br>Vesicles are a model system for understanding the dynamical behavior of a closed soft particle such as red blood cells (RBCs) in flows. The inextensible lipid bilayer membrane of a vesicle admits resistance to the bending elasticity, and its large surface-area-to-volume ratio allows the vesicle to exhibit remarkable shape changes in the dynamics even in a simple flow. Significant progress has been made over the past decades in understanding vesicle dynamics in unbounded Stokes flows. This manuscript deals with the numerical investigation of shape transition and lateral migration of 3D vesicles in wall-bounded Stokes flows by means of an isogeometric finite-element method (FEM) and boundary-element method (BEM). Starting from a previously reported isogeometric FEM-BEM simulations of the dynamics of soft particles (drops, capsule, and vesicle) in Stokes flows in free space, the original code is developed to account for microchannel walls of arbitrary cross-section. The present work focuses on the dynamics of a vesicle that is transported through a circular tube in a pressure-driven flow. First, we investigate typical vesicle shapes, different lateral migration modes, and flow structure onto vesicle membrane versus three independent dimensionless parameters, namely, the reduced volume, the confinement, and the (bending) capillary number. Shape transitions and the phase diagram of stable shapes for several reduced volumes are obtained in the (confinement, capillary number) space, showing an extension of the set of vesicle morphologies and rich vesicle dynamics owing to the intricate interplay among the tube wall, hydrodynamic stresses, and membrane bending. Secondly, we study, via an axisymmetric BEM, the hydrodynamics under high confinements in which the shape of the vesicle is expected to maintain axisymmetry. A particular emphasis is given to the prediction of the vesicle mobility and the extra pressure drop caused due to the presence of the vesicle, the latter having implications in the rheology of a dilute suspension. In addition, based on the numerical results of limiting behavior of quantities of interest near maximal confinement, we give various scaling laws to infer, for example, the vesicle velocity, its length, and the thickness of lubrication film. Finally, we present a coupled, hybrid continuum–coarse-grained model for the study of RBCs in fluid flows. This model is based on a combination of the vesicle model with a network of springs with fixed connectivity, representing the cytoskeleton. Numerical results show that this two-component vesicle–cytoskeleton model isable to extract the mechanical properties of RBCs and predict its dynamics in fluid flows