Sedimentation and collision of anisotropic particles in turbulence

Autor: Sheikh, Muhammad
Přispěvatelé: Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon, Fabien Godeferd, Alain Pumir, STAR, ABES
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Other. Université de Lyon, 2020. English. ⟨NNT : 2020LYSEC050⟩
Popis: The primary objective of this research is to better understand the motion of anisotropic particles settling under gravity in a turbulent environment. This topic has several engineering and environmental implications; we are particularly interested here in small ice crystals settling and colliding in turbulent clouds. Specifically, we are asking how heavy non-spherical particles orient as they settle, and how their orientational dynamics affects their probability of collision in a turbulent flow. We perform numerical simulations to study the settling of ellipsoids, which provide a simple representation of the anisotropy of particles. As the underlying motivation of this work is to understand the dynamics in turbulent clouds of ice crystals, which are much denser than the surrounding fluid, we restrict ourselves to very heavy particles. Moreover, we focus on the case where the largest dimension of the particle is smaller than the smallest scale present in the flow. Recent developments suggested that the torque originating from the fluid inertia plays a crucial role in determining the settling orientation of anisotropic particles. In order to identify the possible regimes, and the corresponding ranges of parameters, we begin by simulating the motion of cylindrical fibers in a simplified model of two-dimensional turbulence, and we observe that fibers can settle with a random orientation, or with their broad-side down, depending on the ratio between the settling velocity and the characteristic velocity of the smallest eddies in the flow. We then proceed to study the problem in three-dimensional turbulent flows by considering the motion of both prolate and oblate ellipsoids. With the help of the experimental team at the Laboratoire de Physique at Ecole Normale Supérieure de Lyon, we tested experimentally the expression for the torque acting on the particles. Then, by using two numerical techniques, namely by numerically solving the Navier-Stokes equations and by using simplified models of turbulent flows, we study the settling orientation of ellipsoids. This study confirms the results obtained in two-dimensions for cylindrical fibers. Collisions of non-spherical ice crystals to form larger aggregates play a key role in the formation of precipitation. The anisotropy of the crystal shape makes its orientation a very important parameter in the problem. Therefore, fluid inertia plays a significant role in the collision process. In the geometric collision approximation, we study the collisions of oblate ice crystals, in order to understand the different physical mechanisms involved in the process. The numerically determined collision probabilities can be interpreted with the help of three main mechanisms. First, the turbulent fluctuations can bring particles together, at a rate that is inversely proportional to the Kolmogorov time. Second, identical particles may settle at different speed when their orientations differ. This mechanism may enhance the role of turbulence at low turbulence intensity. Last, particle inertia may induce large relative velocities, as a result of the “sling effect”. The main result of the thesis is that fluid inertial plays a leading role in the orientation of settling crystals, as well as on the dynamics of collisions between settling particles in turbulent flows.
L’objectif principal de ce travail est de mieux comprendre le mouvement des particules anisotropes qui sédimentent sous l’effet de la gravité dans un environnement turbulent. Ce sujet a plusieurs implications techniques et environnementales; nous nous intéressons particulièrement aux petits cristaux de glace qui sédimentent et entrent en collision les uns avec les autres dans les nuages turbulents. Dans cette thèse, nous nous demandons spécifiquement comment des particules lourdes non sphériques s’orientent lorsqu’elles sédimentent, et comment leur dynamique d’orientation affecte les propriétés statistiques de collision dans un écoulement turbulent. Nous effectuons des simulations numériques pour étudier la sédimentation des ellipsoïdes, qui fournissent une représentation simple et pratique de l’anisotropie d’une grande classe de particules. Comme la motivation sous-jacente de ce travail est de comprendre la dynamique dans les nuages de cristaux de glace, beaucoup plus denses que le fluide environnant, nous nous restreignons au cas de particules très lourdes. De plus, nous nous limitons au cas où la plus grande dimension de la particule est plus petite que la plus petite échelle de l’écoulement. De récents développements ont suggéré que le couple généré par l’inertie du fluide joue un rôle crucial dans la détermination de l’orientation de particules anisotropes en sédimentation. Afin d’identifier les régimes possibles, et les plages de paramètres correspondants, nous commençons par simuler le mouvement d’ellipsoïdes allongés à l’aide de modèles simplifiés de turbulence bidimensionnelle, et nous observons que les cristaux peuvent sédimenter avec une orientation aléatoire, ou avec leurs faces larges vers le bas, en fonction du rapport entre la vitesse de sédimentation et la vitesse caractéristique des plus petits tourbillons dans l’écoulement. Nous procédons ensuite à l’étude du problème dans des écoulements tridimensionnels. Le premier travail a consisté à valider expérimentalement, en collaboration avec le groupe expérimental du laboratoire de l’Ecole Normale Supérieure de Lyon, l’expression pour le couple agissant sur des particules. Puis, nous avons mené des études numériques, à l’aide de deux techniques numériques, à savoir en utilisant deux techniques numériques, à savoir en résolvant numériquement les équations de Navier-Stokes et en utilisant des modèles simplifiés d’écoulements turbulents. Cette étude confirme l’analyse en 2 dimensions.Les collisions entre cristaux de glace non sphériques, conduisant à la formation d’agrégats plus grands, joue un rôle clé dans la formation de précipitations. L’anisotropie de la forme du cristal fait de son orientation un paramètre très important dans le problème. Par conséquent, l’inertie du fluide joue un rôle important dans le processus de collision. Nous étudions les collisions dans l’approximation géométrique de cristaux de glace aplatis, afin de comprendre les différents mécanismes qui régissent les processus de collision. Les probabilités de collisions déterminées numériquement peuvent être interprétées à l’aide de 3 mécanismes principaux. Premièrement, les fluctuations turbulentes peuvent rapprocher des particules, à un rythme inversement proportionnel au temps de Kolmogorov. Deuxièmement, des particules identiques peuvent sédimenter avec une vitesse dépendent de leurs orientations respectives. Ce mécanisme peut renforcer l’effet de la turbulence à faible intensité. Enfin, l’inertie des particules peut induire des vitesses relatives importantes, en raison de l’"effet fronde" (sling effect). Le principal résultat de la thèse est que l’inertie des fluides joue un rôle prépondérant dans l’orientation des cristaux en chute dans les nuages, ainsi que sur leur dynamique de collisions dans les écoulements turbulents.
Databáze: OpenAIRE
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