Simulation of the behavior of ellipsoidal particles in turbulent bounded flow

En utilisant la simulation numérique directe (DNS), la dynamique de particules non sphériques inertielles dans un écoulement turbulent de canal a été étudiée numériquement. Un suivi lagrangien de particules, qui sont supposées ponctuelles et modélisées par des ellipsoïdes de révolution allongés, est utilisé pour étudier l’influence du rapport d’aspect et du temps de relaxation des particules sur leur interaction avec l’écoulement. La simulation numérique directe de l’écoulement permet d’obtenir une information précise sur les caractéristiques du fluide à la position des particules, qui sont nécessaire pour calculer les actions hydrodynamiques auxquelles elles sont soumises. Deux méthodes de calculs des actions hydrodynamiques ont été définies afin d’analyser leur influence sur la dynamique des particules. La première est basée sur des modèles théoriques, qui sont valides sous l’hypothèse d’un écoulement rampant à l’échelle de la particule et sont très utilisés dans la littérature. La seconde est basée sur l’utilisation de corrélations semi-empiriques, valides pour des valeurs du nombre de Reynolds particulaire modérées. Les simulations ont été réalisées jusqu’à ce que la distribution des particules atteigne un état stationnaire, afin d’obtenir une comparaison non biaisée de l’influence de la forme et de l’inertie. Quelle que soit la modélisation, les statistiques de la vitesse de translation ne dépendent pas significativement de l’allongement des particules. Il y a par contre des différences quantitatives importantes entre les statistiques de translation obtenues avec ces deux méthodes de modélisation pour les particules d’inertie élevée. Les statistiques de rotation sont affectées de façon majeure par la modélisation des actions hydrodynamiques, quelle que soit la position dans le canal. Ces observations concernant l’influence de la modélisation restent valides pour des valeurs plus élevées du nombre de Reynolds. L’augmentation de la valeur de ce paramètre cause néanmoins une uniformisation de la distribution des particules et une augmentation de l’intensité des fluctuations de la vitesse et de la vitesse angulaire de l’écoulement vu par les particules. Ces fluctuations plus intenses modifient l’orientation préférentielle des ellipsoïdes, indépendamment de leurs caractéristiques et du modèle utilisé pour calculer les actions hydrodynamiques. La comparaison des résultats obtenus par simulation avec des données expérimentales indique que les formulations bas Reynolds permettent une représentation correcte de la dynamique de particules très allongées et non inertielles.Using direct numerical simulation (DNS), the dynamics of inertial, non-spherical particles carried by the turbulent flow in a channel has been studied numerically. Under the hypothesis of pointwise particles, modelled as prolate ellipsoids, Lagrangian particles tracking is used to study the influence of the particle aspect ratio and inertia on their interaction with the flow. Direct numerical simulation of the flow allows to obtain an accurate information about the properties of the fluid at the particle position, which are required to compute the hydrodynamic actions that they undergo. The hydrodynamic actions have been computed using two different methods to study the influence of their modelling on the particle dynamics. The first model is based on theoretical formulas which are valid under the assumption that there is a creeping flow motion at the particle scale and are widely used in the literature. The second model relies on correlations, which are valid at moderate values of the particle Reynolds number. Simulations have been carried until the particle distribution reaches a steady state in order to obtain an unbiased comparison of the influence the particle shape and inertia. For both modelling of the hydrodynamic actions, translation velocity statistics do not significantly depend on the particle shape. There are however important quantitative differences between the translation statistics obtained using each model. Angular velocity statistics are strongly influenced by the hydrodynamic actions modelling, everywhere in the channel. These observations about the influence of the modelling remain valid for higher values of the flow Reynolds number. Increasing the value of this parameter nonetheless causes an uniformization of the particle distribution and increases the magnitude of the fluctuations of the velocity and angular velocity of the fluid seen by the particles. These stronger fluctuations modify the preferential orientation of the ellipsoids, regardless of their characteristics and of the model used to compute the hydrodynamic actions. The comparison of the simulation results with experimental data indicates that the model valid under the creeping flow assumption allows to simulate the dynamics of very long and weakly inertial ellipsoids realistically