Couplages particules/turbulence dans un écoulement tourbillonnaire et fortement ensemencé

Flows transporting particles are ubiquitous in natural processes (pyroclastic flow, formation of rain droplets in clouds) and industrial systems (combustion of fuel droplets in engine, industrial mixer, pollutants transport). In most practical situations, the carrier flow is turbulent. Due to the random and multi-scale nature of the turbulence structures and the various characteristics of the particles, the interactions between the flow and the particles are complex. In this thesis, we focus on highly seeded particle laden flows, when the couplings between the particles dynamics and the carrier flow are very strong. We investigate this situation in a turbulent von Kármán swirling flow, driven with a single disk rotating along a vertical axis and focus on addressing the following questions: how is the particle suspension affected by the turbulence and the mean flow, and how do particles modify the turbulence ?In a first stage, using optical diagnoses, we investigated weakly seeded flows with the aim to characterize the spatial distribution of re-suspended inertial particles on one hand and to explore the competition between suspension and sedimentation phenomena on the other hand. Then we studied the modification of turbulence intensity when increasing the volume fraction of particles from 0% to 20%. In highly seeded situations, the suspension becomes opaque and classical optical diagnostics cannot be used anymore. We have therefore developed and implemented indirect "multi-scale" measurements: (i) a global measurement of the mechanical power injected by the engine required to maintain the flow mean velocity (ii) a measurement of local pressure fluctuations to investigate the typical scales at which the flow is impacted by the particles. Through these measurements, we have demonstrated both, an effect of the effective density of the mixture on large scale and a significant redistribution of the fluctuations across scales, with non-trivial dependencies on particle diameter. These point towards a leading role of two important mechanisms related to a modified effective rheology of the turbulent suspension on one hand and to an inertial reinjection of energy at the scale of particles wake on the other hand. Finally, in order to confirm these trends, a first attempt to directly measure velocity fluctuations in highly seeded suspension by Laser Doppler Velocimetry (LDV) have been made using an optical index matched solution adapted between the fluid and the particles. This opens promising perspectives for future studies.Les écoulements chargés en particules sont omniprésents dans la nature (coulées pyroclastiques, gouttes d'eau dans les nuages ...) et l'industrie (mélangeurs industriels, combustion des gouttelettes de carburants dans un moteur diesel, polluants, etc). Souvent l'écoulement est turbulent et, dans un système réel, les interactions entre les particules et l'écoulement sont complexes de part la nature multi-échelle des structures de la turbulence et les diverses caractéristiques des particules. L'originalité de cette thèse est de se focaliser sur les écoulements très fortement chargés en particules, lorsque que les couplages entre les particules et le fluide les transportant sont très forts. Pour une première exploration, nous avons utilisé un écoulement de von Kármán vertical à un disque pour tenter de répondre à la problématique suivante : comment les particules modifient-elles la turbulence?Avant d'aborder celle-ci, nous nous sommes intéressés à des écoulements faiblement ensemencés à l'aide des diagnostics optiques pour d'une part caractériser la distribution spatiale de particules inertielles (billes de verres, dp=350 μm) et d'autre part essayer de démêler/comprendre les phénomènes de mise en suspension et de sédimentation de notre écoulement avec des particules légèrement inertielles. Ensuite nous avons étudié la modification de l'intensité de la turbulence en augmentant de manière non négligeable la fraction volumique de particules ([0-20]%). Dans cette situation la suspension (turbulente) est opaque, et les diagnostics optiques classiques de caractérisations de la phase liquide et solide sont peu utilisables. Pour cela nous avons développé et mis en place des mesures "multi-échelle" : (i) une mesure globale de la puissance mécanique injectée par le moteur nécessaire pour maintenir l'intensité de la turbulence de l'écoulement et (ii) une mesure des fluctuations de pression pour tenter une première approche de comment et à quelle échelle l'écoulement est impacté par les particules. Au travers de ces mesures nous avons mis en évidence un effet de la densité effective du mélange (fluide + particule) à grande échelle et une redistribution significative des fluctuations lorsque la fraction volumique de particules augmente en fonction du diamètre des particules. Enfin, dans le but de confirmer ces tendances, une première tentative de mesure de vitesses par Vélocimétrie Doppler Laser (LDV) est réalisée avec une solution d'indice optique adaptée entre le fluide et les particules