Simulations 3D non-stationnaires dédiées à l'investigation de processus de sédimentation à forte dynamique

Abstract

The behavior of a rigid spherical particle immersed in a viscous newtonian fluid is reproduced by means of Direct Numerical Simulation. The first step consists in introducing a 1–Fluid model coupled with a viscosity–based penalty method. Several computational techniques are then associated for solving the problems inherent to the strong physical constraints. Through the next step, our approach is assessed to by several test–cases based on an exhaustive bibliography of both two and three-dimensional flows, for Stokes and Oseen regimes. With original experimental and numerical results obtained through a scientific collaboration, our numerical experiments are then systematically validated relative to PIV fields for inertial regimes. Finally, our investigation focuses on a critical flow regime with simulations leading to instabilities, indicating the transitions that tend to chaotic wakes and trajectories.

Le comportement d'une particule sphérique rigide immergée dans un fluide newtonien est étudié au moyen d'une méthode de Simulation Numérique Directe. Dans une première partie, un modèle de type '1-Fluide' assorti d'une technique de pénalisation de la viscosité est décrit, puis différentes méthodologies numériques sont associées pour résoudre les difficultés inhérentes aux fortes contraintes physiques. Par la suite, la pertinence du modèle est prouvée par une série de validations fondées sur une bibliographie exhaustive des écoulements bi ou tri–dimensionnels, et pour des régimes d'écoulement faiblement inertiels. Avec l'appui de résultats expérimentaux et numériques originaux obtenus à la suite d'une collaboration scientifique, nos expériences numériques sont alors systématiquement validées sur la base de champs PIV pour des régimes inertiels. Notre investigation se focalise ensuite sur des écoulements dont la dynamique est plus importante, pour aboutir à la mise en évidence d'instabilités attestant de la transition vers des écoulements et des trajectoires chaotiques.