Experimental study of the role of wall turbulence in particle transport
Etude expérimentale du rôle de la turbulence de paroi dans le transport de particules
Résumé
In this study, the role played by wall turbulence in particle transport has been investigated. To do this, two types of experiments have been performed. The first ones consist in the study of free surface flows laden with glass and ceramic beads. The second ones have been performed in controlled turbulence. In fact, we choose to create artificial ejections in order to investigate their influence on the particle transport. The conditions of the first experiments correspond to high rate of suspension transport and those of the second ones to small rate of suspension transport.
In order to measure simultaneously the fluid velocity field and the position and the velocity of the beads, we used the Particle Image Velocimetry (PIV) method. PIV makes it possible to visualize the whole flow field around the moving particles.
The flow analysis was applied in the neighbourhood of each particle. The neighbourhood size varies from 5 to 10d. First, the quadrant analysis shows that the ejections are the most important turbulent events in particle motion by suspension or saltation. Particularly, we observed that the ejections are a dominant mechanism to lift up particles. However, the quadrant analysis points out that some particles are falling into ejections. Thus, we investigate why not all ejections are able to lift up particles.
The study of the momentum flux of the ejections shows that a particle can be lifted up if the momentum flux of the surrounding ejection is enough high. Thus, we determine a detection threshold of the ejections which are able to lift up particles. This threshold is made dimensionless and is about 0.5. It is constant with the height of the particles, the flow Reynolds number and the bead characteristics.
An important difference between, saltation and suspension transport is the passed time of the particle in the ejections. In fact, more long is this time, more the particles can be lifted up in the ejection and be transported in suspension. On the other hand, if the particle stays little time in the ejections, it doesn't have the time to be lifted up and it is transported by suspension. From the analysis of these experiments, we proposed a conceptual model of particle transport in ejections. This model is based on the local momentum flux in the neighbourhood of the ejections, the position of the particles into the ejections and the suspension trajectories obtained in artificial turbulence
In order to measure simultaneously the fluid velocity field and the position and the velocity of the beads, we used the Particle Image Velocimetry (PIV) method. PIV makes it possible to visualize the whole flow field around the moving particles.
The flow analysis was applied in the neighbourhood of each particle. The neighbourhood size varies from 5 to 10d. First, the quadrant analysis shows that the ejections are the most important turbulent events in particle motion by suspension or saltation. Particularly, we observed that the ejections are a dominant mechanism to lift up particles. However, the quadrant analysis points out that some particles are falling into ejections. Thus, we investigate why not all ejections are able to lift up particles.
The study of the momentum flux of the ejections shows that a particle can be lifted up if the momentum flux of the surrounding ejection is enough high. Thus, we determine a detection threshold of the ejections which are able to lift up particles. This threshold is made dimensionless and is about 0.5. It is constant with the height of the particles, the flow Reynolds number and the bead characteristics.
An important difference between, saltation and suspension transport is the passed time of the particle in the ejections. In fact, more long is this time, more the particles can be lifted up in the ejection and be transported in suspension. On the other hand, if the particle stays little time in the ejections, it doesn't have the time to be lifted up and it is transported by suspension. From the analysis of these experiments, we proposed a conceptual model of particle transport in ejections. This model is based on the local momentum flux in the neighbourhood of the ejections, the position of the particles into the ejections and the suspension trajectories obtained in artificial turbulence
Au cours de cette thèse, le rôle joué par la turbulence de paroi dans le transport de particules a été étudié. Pour ce faire, deux types d'expériences ont été réalisés. Les premières ont porté sur un écoulement de turbulence de paroi naturelle chargé en billes de verre et de céramique, pour 4 conditions hydrauliques données. Les secondes expériences ont été réalisées en turbulence contrôlée. En effet, nous avons choisi de générer artificiellement des éjections en créant des hairpin vortex. Les premières expériences sont réalisées dans des conditions de fort transport par suspension et les secondes sont faites pour des conditions très proches du seuil de suspension, les particules étant majoritairement transportées par saltation.
Afin de mesurer simultanément le champ de vitesse de l'écoulement ainsi que la position et la vitesse des particules, nous avons utilisé la PIV (Vélocimétrie par Image de Particules) qui permet d'avoir sur la même paire d'image l'information liquide et solide. Nous pouvons ainsi analyser l'écoulement autour de chaque particule et mettre en évidence l'action locale du fluide sur les particules.
L'analyse de l'écoulement se fait dans le voisinage de chaque particule, dont la taille varie entre 5 à 10d. Tout d'abord, l'analyse par quadrants montre que les éjections sont fortement impliquées dans le transport par suspension et par saltation, notamment dans la montée des particules. Elle indique aussi que certaines particules qui descendent sont dans des éjections. Nous cherchons donc à déterminer ce qui fait qu'une éjection est capable ou non de contrer la gravité et de faire monter les particules.
L'étude du flux de quantité de mouvement des éjections montre que plus ce flux est important, plus les particules ont tendance à monter dans les éjections. Nous déterminons donc un seuil permettant de détecter les éjections faisant monter systématiquement les particules. Ce seuil, adimensionalisé , est compris de l'ordre de 0,5 et est quasiment constant en fonction du nombre de Reynolds de l'écoulement, de la hauteur et des caractéristiques des particules.
Nous observons qu'une différence importante entre la suspension et la saltation est le temps de résidence des particules dans les éjections. En effet, plus ce temps est long, plus la particule va pouvoir monter dans l'éjection et plus elle sera transportée par suspension. En revanche quand elle ne reste que peu de temps dans l'éjection, la particule n'a pas le temps de monter et elle est alors transportée par saltation. A partir de l'analyse de ces expériences, nous proposons un modèle conceptuel de transport par suspension dans les éjections en fonction du flux de quantité de mouvement autour des particules, de leur position dans les éjections et des trajectoires de suspension qui ont pues être reconstruites pour les expériences en turbulence contrôlée.
Afin de mesurer simultanément le champ de vitesse de l'écoulement ainsi que la position et la vitesse des particules, nous avons utilisé la PIV (Vélocimétrie par Image de Particules) qui permet d'avoir sur la même paire d'image l'information liquide et solide. Nous pouvons ainsi analyser l'écoulement autour de chaque particule et mettre en évidence l'action locale du fluide sur les particules.
L'analyse de l'écoulement se fait dans le voisinage de chaque particule, dont la taille varie entre 5 à 10d. Tout d'abord, l'analyse par quadrants montre que les éjections sont fortement impliquées dans le transport par suspension et par saltation, notamment dans la montée des particules. Elle indique aussi que certaines particules qui descendent sont dans des éjections. Nous cherchons donc à déterminer ce qui fait qu'une éjection est capable ou non de contrer la gravité et de faire monter les particules.
L'étude du flux de quantité de mouvement des éjections montre que plus ce flux est important, plus les particules ont tendance à monter dans les éjections. Nous déterminons donc un seuil permettant de détecter les éjections faisant monter systématiquement les particules. Ce seuil, adimensionalisé , est compris de l'ordre de 0,5 et est quasiment constant en fonction du nombre de Reynolds de l'écoulement, de la hauteur et des caractéristiques des particules.
Nous observons qu'une différence importante entre la suspension et la saltation est le temps de résidence des particules dans les éjections. En effet, plus ce temps est long, plus la particule va pouvoir monter dans l'éjection et plus elle sera transportée par suspension. En revanche quand elle ne reste que peu de temps dans l'éjection, la particule n'a pas le temps de monter et elle est alors transportée par saltation. A partir de l'analyse de ces expériences, nous proposons un modèle conceptuel de transport par suspension dans les éjections en fonction du flux de quantité de mouvement autour des particules, de leur position dans les éjections et des trajectoires de suspension qui ont pues être reconstruites pour les expériences en turbulence contrôlée.
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