Laboratoire IUSTI–UMR 7343 CNRS–AixAMarseille Université
Directrice de thèse : Laurence Bergougnoux
Codirecteurs : G. Bouchet, E. Guazzelli
Spécialité : Mécanique et physique des fluides

Les écoulements de particules sont présents dans un grand nombre de processus naturels ou industriels. Les transports de sédiments dans les rivières et estuaires, de polluants dans l’atmosphère, la bioconvection du zooplancton, les courants de gravité et de turbidité près des rivages côtiers, les écoulements pyroclastiques lors d’éruptions volcaniques en sont quelques exemples dans le domaine de l’environnement. Dans l’industrie  les procédés impliquant des écoulements de particules sont très nombreux : réacteurs à lits fluidisés, traitement des eaux, industries agroalimentaires, pharmaceutiques et cosmétiques. Dans tous ces exemples, la sédimentation des particules est un phénomène dominant, complexe et fascinant, qu’il est important de contrôler et de comprendre de façon fondamentale.

De  nombreuses  avancées  ont  été  réalisées  à  bas  nombres  de  Reynolds   sans  inertie  et  en particulier dans le Groupe Ecoulements de Particules  GEP du laboratoire IUSTI – UMR 7343 CNRS – AixWMarseille Université [6, 2, 3, 5]. Mais le régime inertiel et turbulent n’a reçu que peu d’attention, tant du côté expérimental  [1, 7] que du côté de la simulation numérique  [4]. Les quelques  travaux existants semblent suggérer une vitesse moyenne de sédimentation supérieure à la vitesse terminale de chute d’une particule et des régions plus concentrées dans les zones de faible vorticité. Mais cela reste à confirmer et une étude plus poussée de la structure de la suspension reste à faire.

Le sujet de  thèse que nous proposons se  focalise sur la compréhension des effets collectifs entre particules  sous  l’effet  de  la  gravité  en  régime  turbulent.  Il  s’agira  d’étudier  la  sédimentation  de particules isolées  sphère, sphéroïde, fibre…), de nuage de particules  goutte, jet), de suspension plus ou  moins  concentrée,  sur  un  écoulement  tourbillonnaire.  Dans  un  premier  temps,  cette  étude expérimentale sera menée sur un écoulement bidimensionnel généré par électroWconvection  forces de  Laplace).  L’écoulement  sera  caractérisé  par  des  techniques  de  PIV   Particle Image  Velocimetry) pour la partie  fluide, et par  PTV   Particle Tracking Velocimetry) pour le  suivi des particules  solides. Dans  un  second  temps,  nous  passerons  à  une  turbulence  tridimensionnelle  au  sein  d’un  canal  de sédimentation équipé d’une grille active.

Nous comptons aussi développer une approche numérique en collaboration avec Eckart Meiburg, Professeur au Department  of Mechanical Engineering  de  l’Université  de  Californie à Santa  Barbara des  liens existent  déjà entre  le IUSTI et  ce  département), Markus Uhlmann   Karlsruhe Institute  of Technology et avec Eric Climent, Professeur à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse.

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[1] A. Aliseda, A. Cartelier, F. Hainaux and J. C. Lasheras, “Effect of preferential concentration on the settling velocity of heavy particles in homogeneous isotropic turbulence”, J. Fluid Mech. 468, 77 – 2002.

[2] L. Bergougnoux, S. Ghicini, E. Guazzelli, and E. J. Hinch, “Spreading fronts and fluctuations in sedimentation”, Phys. Fluids 15, 1875W1887  – 2003.

[3] L. Bergougnoux, E. Guazzelli, “NonWPoisson statistics of settling spheres”, Phys. Fluids 21 091701 – 2009.

[4] T. Bosse, L. Kleiser and E. Meiburg, “Small particles in homogeneous turbulence : Settling velocity enhancement by twoWway coupling”, Phys. Fluids 18, 027102  – 2006.

[5] D. Chehata Gomez, L. Bergougnoux, E. Guazzelli, and E. J. Hinch, “Fluctuations and stratification in sedimentation of dilute suspensions of spheres”, Phys. Fluids 21 093304  – 2009.

[6] É. Guazzelli, “Evolution of particleWvelocity correlations in sedimentation”, Phys. Fluids 13, 1537 – 2001.

[7] T. S. Yang and S. S. Shy, “The settling velocity of heavy particles in an aqueous nearWisotropic turbulence”, Phys. Fluids 15, 868  – 2003.

Débouchés : Recherche académique et industrielle