Projet ANR-13-BS09-0009 – LTIF : Transport lagrangien en écoulement inhomogène
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Nicolas MORDANT (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels)
Partenaires : Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique; Laboratoire de Physique de l'Ens de Lyon; Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels
Montant : 399995.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Transport lagrangien en écoulements turbulents inhomogènesIl s'agit d'étudier le transport de particules de fluide dans les écoulements turbulents en se basant sur une approche lagrangienne au cours de laquelle on suit des particules individuelles au cours de leur mouvement. On se focalisera particulièrement sur l'influence des inhomogénéités spatiales sur les propriétés de transport. On effectuera en parallèle des études expérimentales, numériques ainsi qu'une modélisation stochastique.
Décrire des écoulements plus proches de la réalité environnementale ou industrielleLa plupart des écoulements industriels et environnementaux présentent un part de confinement (présence de parois, sol) qui induisent une certaine inhomogénéité de l'écoulement. Le but de ce projet est donc de mettre en place des techniques de suivi de particules dans des écoulements confinés modèles (écoulement de canal plan turbulent confiné entre deux parois, écoulement de von Karman confiné dans un cylindre) que ce soit dans des expériences ou des simulations numériques. Les données ainsi collectées serviront à contraindre la démarche de modélisation stochastique. On se focalisera dans un premier temps sur l'accélération qui est la grandeur dynamique au coeur de la mécanique des fluides. Ensuite on décrira la dispersion à temps long de particules uniques ou de paires de particules.
Suivi de particules de fluides le long de leur trajectoireNous mettrons en place des méthodes de suivi de particules dans les écoulements. Du point de vue expérimental, nous utiliserons une méthode de suivi par imagerie ultra-rapide de particules solides de même densité que le fluide. Cette méthode sera appliquée à l'écoulement de von Karman dans un cylindre ainsi que dans un écoulement de canal plan turbulent dans l'eau. Du point de vue numérique, nous utiliserons une méthode pseudo spectrale de simulation de l'écoulement de canal plan. Des particules ponctuelles ou de taille finie (inertielles ou non) seront introduites et suivies au cours du temps. Enfin la modélisation stochastique (de l'accélération en particulier) sera basée sur des équations de Langevin dans lesquelles seront pris en compte le phénomène d'intermittence ainsi que le confinement. Le modèle sera basé sur les apports des expériences et des simulations numériques.
Résumé de la soumission : Une des propriétés spectaculaires des écoulements turbulents est leur faculté de mélanger de façon très efficace. L’étude théorique du transport et du mélange par les fluides s’exprime de façon naturelle en étudiant les propriétés statistiques des trajectoires des particules de fluide qui transportent les différents constituants à mélanger (approche lagrangienne). Si les propriétés lagrangiennes de la turbulence isotrope et homogène sont désormais assez bien connues grâce aux travaux de la dernière quinzaine d’années, le cas des écoulements inhomogènes est nettement moins étudié, en particulier du point de vue expérimental. Or, la plupart des écoulements naturels ou industriels ne sont ni homogènes ni isotropes du fait de la présence de paroi et donc de couches limites (écoulements de tuyaux, couche limite atmosphérique) et/ou du fait du confinement (réacteurs chimiques, chambres de combustion). Par ailleurs, dans les configurations d’écoulements réalistes, les simulations numériques totales des équations de Navier-Stokes avec des paramètres physiques réalistes sont largement hors d’atteinte car la puissance de calcul nécessaire est prohibitive. En pratique, une part plus ou moins importante de modélisation est introduite pour alléger les calculs. En général, on ne simule que les grandes échelles de l’écoulement. Pour cela, on modélise les petites échelles pour traduire leur effet sur la dynamique de l’écoulement à grande échelle. Or les dynamiques macroscopique et microscopique sont fortement intriquées. C’est particulièrement visible dans le cas d’une couche limite : la turbulence est formée au voisinage de la paroi et se propage aux grandes échelles du cœur de l’écoulement. Il est donc indispensable de construire une modélisation performante des petites échelles pour espérer simuler de façon satisfaisante la dynamique des grandes échelles. Il est possible d’utiliser des modèles stochastiques du transport des particules de fluide. Les modèles peuvent porter sur la vitesse des particules (modèle type Thompson-Pope) pour simuler les trajectoires aléatoires des particules de fluide tout en prenant en compte les caractéristiques locales de l’écoulement à grande échelle. Les modèles peuvent être plus complexes et modéliser l’accélération des particules. C’est en particulier le cas du modèle LES-SSAM destiner à reproduire la dynamique de l’accélération et décrire de manière plus fidèle des propriétés statistiques du champ de vitesse. S’il existe une certaine variété de modèles, les données expérimentales concernant les propriétés lagrangiennes des écoulements sont rares en ce qui concerne les écoulements inhomogènes t/ou anisotropes. Or celles-ci restent indispensables pour valider, calibrer et guider les améliorations possibles des outils de modélisations.Le but de ce projet est donc :(i) d’effectuer des mesures lagrangiennes pour mettre en évidence les spécificités des écoulements confinés et/ou de couche limite dans des écoulements de laboratoire tels qu’un écoulement de canal (couches limites) ou un écoulement de Von Karman (confinement). Il s’agit de mesurer d’une part l’accélération des particules dans diverses régions de l’écoulement et d’autre part la dispersion des trajectoires des particules(ii) d’effectuer les simulations numériques directes de la dynamique lagrangienne dans le cas de l’écoulement de canal pour lequel des méthodes pseudo-spectrales efficaces existent.(iii) Enfin, de comparer les données expérimentales et numériques aux modèles de dispersion existant pour les deux types d’écoulements étudiés. On développera également un modèle plus complexe type LES-SSAM pour le cas des écoulements de couche limite.Ces efforts visent à mettre à la disposition de la communauté scientifique une base de donnée complète (numérique, expérimentale, modèle) pour alimenter des recherches plus poussées et d’autre part proposer à la communauté industrielle des modèles incorporables à des codes de simulation industriels.
Résultats : Le projet venant de débuter les résultats ne sont pas encore disponibles.
Perspectives : Il est trop tôt pour développer des perspectives à ce projet très ambitieux.
Publications et brevets : Pas encore disponibles.