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Catégorie : Soutenances de thèse et de HDR

Mardi 10 décembre 2019 : Soutenance de thèse de Manoj JOISHI : Étude numérique du dépôt de particules dans une couche limite avec un forçage turbulent dans la zone externe

Manoj JOISHI  Doctorant au sein de l'équipe "Procédés d'élaboration" de l'Institut Jean Lamour, soutient sa thèse intitulée :

"Étude numérique du dépôt de particules dans une couche limite avec un forçage turbulent dans la zone externe"

 

 

Date et lieu :
Mardi 10 décembre 2019 à 9h30
Institut Jean Lamour
Salle 4-014

 

Composition du jury :

Directeur de thèse :

- Jean-Pierre BELLOT
Professeur, Institut Jean Lamour, Université de Lorraine
   
Co-directeur de thèse :

- Jean-Sébastien KROLL-RABOTIN
Mdc, Institut Jean Lamour, Université de Lorraine
   

Examinatrices :

- Agathe CHOUIPPE
Mdc , Icube, Université de Strasbourg
   
- Nathalie MONNIER
Mdc, LRGP, Université de Lorraine
   

Rapporteurs :

- Jochen FRÖHLICH
Professeur, TU Dresden

- Hervé DUVAL
Professeur, Ecole Centrale Supélec

Invités :

- Sean SANDERS
Professeur, Université d’Alberta
   
- Boris ARCEN
Mdc, LRGP, Université de Lorraine

 


Résumé :
Le dépôt de particules sur une paroi joue un rôle significatif dans les procédés polyphasiques fluide-solides, tels que la séparation inclusionnaire dans les poches d’acier liquide en métallurgie secondaire qui permettent de contrôler la propreté du métal avant solidification. L’objectif de ce travail est d’étudier le dépôt turbulent et la capture de particules sur une paroi, dans des situations où la turbulence au sein de la couche limite est produite à la fois par la contrainte pariétale et par les forces d’agitation du bain liquide loin de cette paroi.

Les simulations sont mises en oeuvre à l’échelle mésoscopique, en considérant des particules ponctuelles mais avec une turbulence complètement résolue. Un code de simulation maison a été développé, utilisant une méthode de Boltzmann sur réseau pour résoudre la dynamique de l’écoulement et en appliquant un forçage linéaire isotrope pour générer artificiellement la turbulence loin de la paroi. Le suivi lagrangien de particules permet enfin d’établir un couplage faible entre le mouvement des particules et l’écoulement turbulent. Ces techniques numériques ont été appliquées à la simulation directe d’une couche limite turbulente dans laquelle les particules de taille plus petite que l’échelle de Kolmogorov sont introduites. Les mécanismes de dépôt pour des aérosols ont été analyses et une loi statistique de vitesse de dépôt en fonction du nombre de Stokes a été extraite et comparée à la littérature.

L’ensemble de ces simulations permet une meilleure compréhension des mécanismes de dépôt et de capture, en fonction de la turbulence du fluide au sein de la couche limite et des propriétés des particules. De plus, les résultats préliminaires obtenus pour des particules hydrosols, qui correspondent à des conditions qui prévalent pour des inclusions dans les poches d’acier liquide, ont montré que l’outil numérique peut être appliqué à l’étude quantitative de la capture inclusionnaire aux parois des réacteurs métallurgiques.

Mots-clés :
dépôt turbulent, l’échelle mésoscopique,  couche limite turbulente

 

Abstract :
Deposition of particles on a wall plays a significant role in fluid-solid processes such as inclusions recovery from liquid steel in ladle furnace, that controls inclusion cleanliness upstream from solidification. The aim of this work is to study the turbulent deposition and capture of particles on a wall, in a situation where turbulence in the boundary layer originates both from wall shear and from agitation in the external flow. In a ladle furnace, such an agitation would result from bubble injection.

A framework for simulations at mesoscopic scale in which particles are represented as points but the turbulence is fully resolved has been developped using an in-house solver, where a Lattice Boltzmann Method (LBM) solves flow dynamics and linear isotropic forcing generates artificial turbulence. Lagrangian Particle Tracking (LPT) is used to achieve one way coupling between particle motions and turbulent flow. These numerical methods were applied to Direct Numerical simulation (DNS) of a fully developed turbulent boundary layer in which particles smaller than the Kolmogorov length scale are introduced. The deposition mechanisms in aerosol conditions have been analyzed and quantified into a statistical law for deposition velocity in terms of Stokes number, and validated against data from the literature.
Such simulations have provided a better understanding of deposition and capture mechanisms, depending on the turbulent flow in a wall boundary layer and on particle physical properties. Also, preliminary simulations in hydrosol conditions that match actual ladle operation have shown that the framework developed in this work can be applied to investigate inclusion behavior in secondary steelmaking although statistical analysis in this work focused on aerosols. 

Keywords : turbulent deposition, mesoscopic scales, fully developed turbulent