Chute d'un nuage de particules dans une turbulence diffusive : étude des couplages entre phases par diagnostics optiques

Ce travail experimental s'inscrit dans le cadre des etudes sur les ecoulements diphasiques et porte plus particulierement sur la caracterisation des interactions entre une phase porteuse gazeuse et une phase dispersee composee de particules solides : i.e. la dispersion des particules, la formation d'amas de particules, et leur effet sur la modification de l'ecoulement porteur. La plupart des resultats experimentaux, obtenus dans des configurations complexes, ne peuvent etre compares que difficilement a la theorie et aux resultats numeriques. Le premier travail a ainsi consiste a realiser un dispositif experimental presentant un ecoulement monophasique avec un regime proche de la THI (Turbulence Homogene Isotrope) et permettant de se placer dans des regimes d'ecoulement propices a l'apparition de concentration preferentielle. L'ecoulement retenu est celui engendre par un jet d'air confine dans un tube ferme hermetiquement en son sommet. Cet ecoulement presente bien une zone de turbulence diffusive. Les grandeurs caracteristiques de cet ecoulement (vitesse moyenne, fluctuations de vitesse, cisaillement, moments d'ordre 3 et 4) sont comparables a celles rapportees dans la litterature. L'ecoulement diphasique est obtenu en utilisant un systeme d'ensemencement de particules assurant une injection reguliere et spatialement homogene des particules par le haut du tube. L'originalite de l'experience consiste a mesurer simultanement les champs de vitesse des particules et du fluide par une methode optique non intrusive afin d'analyser le couplage entre les deux phases. Ces resultats ont ete obtenus a l'aide d'une methode de diagnostic optique, couplant la technique de PIV 2D2C (2 dimensions 2 composantes) classique et une methode de PTV mise au point dans le cadre de cette etude. Cette methode reste robuste pour des ecoulements presentant des zones de fortes surconcentrations en particules, dans le cas de cette etude ou la fraction moyenne volumique en particules est de l'ordre de 10-5. L'obtention de mesures fiables et simultanees sur les deux phases par couplage PIV/PTV a fait l'objet d'un soin particulier. L'analyse des statistiques des champs de vitesse fluide diphasique dans la partie haute du tube met en evidence que la presence des particules provoque une augmentation de l'energie cinetique turbulente par rapport a l'ecoulement monophasique et fait perdre le caractere isotrope de l'ecoulement. Une analyse de la position instantanee des particules dans differentes regions du tube met en evidence un regime de concentration preferentielle caracterise par la formation d'amas de particules au sein de l'ecoulement. Nous proposons un modele de production d'energie cinetique turbulente par les fluctuations de concentration des particules associees aux amas en presence de gravite. Malgre le caractere dilue en particules de notre ecoulement, la formation d'amas modifie fortement la turbulence du fluide. Cette meme dynamique collective des particules, regroupees en amas, pourrait etre une piste interessante afin d'expliquer aussi la modification du mouvement relatif moyen des particules.