Modélisation stochastique du dépôt et de la remise en suspension de particules dans un écoulement turbulent

Stochastic modeling of particle deposition and reentrainment in turbulent flows

EDF R&D, Dpt. MFEE, 6 Quai Watier, 78400 Chatou, France
e-mail : mathieu.guingo@edf.fr

Résumé

Ce travail consiste en la formulation, l’implémentation et le test de nouveaux modèles pour simuler le dépôt et la remise en suspension de particules dans un écoulement turbulent dans le cadre des méthodes Lagrangiennes stochastiques. Dans la première partie, un nouveau modèle pour calculer le taux de dépôt est proposé : il est basé sur une description 1D de la vitesse de l’écoulement vu par une particule dans la couche limite turbulente, et simule explicitement les interactions entre les particules et certaines structures cohérentes de proche paroi. Le modèle est d’abord validé en vérifiant que les statistiques importantes de l’écoulement sont bien retrouvées avec des particules fluides, puis est appliqué avec des particules solides pour calculer le taux de dépôt. Un bon accord avec les expériences disponibles est alors obtenu. La seconde partie de la thèse est consacrée à la modélisation de la remise en suspension de particules. Le modèle que nous avons développé met en relief le rôle joué par la rugosité de surface : pour calculer les forces d’adhésion, une représentation stochastique à deux échelles de la distribution des aspérités de surfaces est proposée, et le parcours d’une particule sur la paroi est modélisé ; la remise en suspension étant alors éventuellement provoquée par un choc avec une aspérité. Les résultats du modèle sont en accord satisfaisant avec les données expérimentales.

Abstract

The work carried out in this Ph.D thesis concerns the development, implementation and tests of new models aiming at simulating particle deposition and resuspension in turbulent flows, in the framework of stochastic Lagrangian methods. In the first part, a new model to calculate particle deposition is proposed : it is based on a 1D description of the velocity of the flow seen by a particle in the turbulent boundary layer, and explicitly simulates the interactions between particles and near-wall coherent structures. The model is validated with fluid particles to check if important statistics concerning the flow are retrieved, and applied with inertial particles to compute the deposition rate. Good agreement with available experimental data is obtained. The second part of this work is devoted to the modeling of particle resuspension. The model that we developed stresses the role played by surface roughness : to calculate the adhesion force, a two-scale stochastic representation of the distribution of surface asperities is proposed, and the motion of the particle on the wall is modeled. Resuspension is ultimately caused by particle rocking on an asperity. Results from the model are in satisfactory agreement with experimental data.