Lagrangian investigation of particle dispersion in turbulence
Étude lagrangienne de la dispersion de particules en turbulence
Résumé
Describing a flow as a set of fluid particle trajectories is a necessary approach to understand its Lagrangian dynamics but also to characterise the dispersion of particles it generates, omnipresent in natural environments (pollutants in the ocean or the atmosphere) or industrial environments (chemical reactors). The recent development of optical particle tracking methods allows to study experimentally this question for different types of particles and/or flows. In this thesis, we limit ourselves to tracers (fluid particles) and to two types of turbulent flow. A first part focuses on a large database of experimental trajectories in homogeneous isotropic turbulence. A complete Lagrangian study is carried out to obtain a fine characterisation of turbulence in velocity and acceleration for a wide range of Reynolds numbers. A modelling of pair dispersion is also proposed, with new elements for its understanding in the framework of the ballistic cascade phenomenology. A second part is devoted to the Lagrangian experimental study of a turbulent jet. The influence of an inhomogeneous nozzle seeding is described quantitatively. This approach, which reveals the original phenomenon of effective compressibility, allows a new understanding of entrainment and turbulent diffusion. A Lagrangian analysis of this inhomogeneous flow is also performed. A new stationarisation method is successfully applied to compensate the flow inhomogeneity and provide a large-scale characterisation in velocity and acceleration.
Décrire un écoulement comme un ensemble de trajectoires de particules fluides est une approche nécessaire pour comprendre sa dynamique lagrangienne mais aussi pour caractériser la dispersion de particules qu’il génère, omniprésente en milieu naturel (polluants dans l’océan ou l’atmosphère) ou industriel (réacteur chimique). Le développement récent de méthodes optiques de suivi de particules permet d’étudier expérimentalement cette question pour différents types de particules et/ou d’écoulements. Dans le cadre de cette thèse, nous nous limitons à des traceurs (particules fluides) et à deux types d’écoulement turbulent. Une première partie s’intéresse à une large base de données expérimentales de trajectoires en turbulence homogène isotrope. Une étude lagrangienne complète est réalisée pour obtenir une caractérisation fine de la turbulence en vitesse et accélération pour une large gamme de nombres de Reynolds. Une modélisation de la dispersion de paires est également proposée, avec des éléments nouveaux pour sa compréhension dans le cadre de la phénoménologie de la cascade balistique. Une seconde partie est consacrée à l’étude expérimentale lagrangienne d’un jet turbulent. L’influence d’un ensemencement inhomogène par la buse est décrite quantitativement. Cette approche, qui fait apparaître le phénomène original de compressibilité effective, permet une nouvelle compréhension de l’entraînement et de la diffusion turbulente. Une analyse lagrangienne de cet écoulement inhomogène est également réalisée. Une nouvelle méthode de stationnarisation est appliquée avec succès pour compenser l’inhomogénéité de l’écoulement et offrir une caractérisation grande échelle en vitesse et accélération.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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