Clustering of inertial sub-Kolmogorov particles : structure of clusters and their dynamics

Cette these etudie les phenomenes de concentration preferentielle et de sedimentation de particules inertielles transportees dans un ecoulement turbulent. Pour cela, des experiences ont ete menees en soufflerie dans une turbulence engendree en aval d’une grille active et ensemencee avec des gouttelettes d'eau. La concentration preferentielle se manifeste par la segregation spatiale des particules qui bien qu’initialement ensemencee de facon homogene, tendent a se regrouper en amas, laissant en depletion d’autres zones de l’ecoulement. Un effort particulier a ete consacre a separer les mecanismes lies a l’inertie des particules, a la turbulence et aux effets collectifs impactant la formation des amas et modifiant la vitesse de sedimentation des particules. Quatre principaux parametres non-dimensionnels ont ete varies afin d’etablir le role specifique de chacun d’entre eux sur les processus de concentration preferentielle et de sedimentation : le nombre de Rouse $Ro $, representant le rapport de la vitesse de sedimentation des particules a la vitesse fluctuante de l’ecoulement; le nombre de Stokes $St$, quantifiant l'inertie des particules comme le rapport entre le temps de reponse des particules et le temps dissipatif de l’ecoulement; le nombre de Reynolds $ RE_lambda$ representant le degre de turbulence et enfin la fraction volumique de la phase dispersee $phi_v$. Deux techniques experimentales (suivi Lagrangien des particules et interferometrie a phase Doppler) ont ete utilisees pour l'acquisition des donnees et pour le diagnostic de la concentration preferentielle et de la sedimentation des gouttelettes dispersees. Le suivi Lagrangien de particules a ete realise par visualisation a haute vitesse cadence des gouttelettes dispersees dans une nappe de laser. Cela donne acces aux statistiques simultanees de la distribution spatiale des particules et de leur vitesse. La niveau de clustering a ete quantifie a l’aide de tesselation de Voronoi. Nous etablissons des lois d’echelles quantitatives caracterisant la dependance du degre de clustering et de la geometrie des amas en fonction des parametres de l’etude ($St$, $Re_lambda$ et $ phi_v$. Ces lois d’echelles indiquent une forte influence de $Re_lambda$ et de $phi_v$, mais un faible effet de $St$. Ce resultat est coherent avec un role dominant du mecanisme « sweep-stick » comme origine de la concentration preferentielle, tel que propose par Vassilicos. En outre, l'analyse conditionnelle des vitesses de sedimentation des particules en fonction de leur appartenance ou non a des amas montre que les zones a fortes concentration tendent a sedimenter plus rapidement que les zones peu concentrees, suggerant un possible role des effets collectifs dans l’augmentation de la vitesse de chute. Les mesures par interferometrie de phase Doppler ont ensuite permis d’analyser plus en detail les statistiques de vitesse et de concentration de particules conditionnees a la taille des particules. Ces mesures montrent une augmentation de la vitesse de sedimentation pour les particules de petits diametres, en accord avec des etudes precedentes. En revanche, la sedimentation est ralentie pour les particules de plus grand diametre. Ceci indique une subtile intrication de plusieurs mecanismes possibles affectant la sedimentation turbulente de particules.