Soutenance de thèse de Ouardia AIT OUCHEGGOU

Les écoulements de particules sont présents dans de nombreux phénomènes naturels et applications industrielles. Lorsque ceux-ci rencontrent un ou plusieurs obstacles, les particules peuvent se retrouver piégées et se déposer contribuant ainsi à colmater la conduite où s'écoule la suspension. C'est ainsi que dans l'industrie nucléaire, un des problèmes récurrents est le colmatage des générateurs de vapeur présents dans les centrales nucléaires. L'obstruction progressive de l'écoulement au niveau des plaques entretoises maintenant les tubes de cet échangeur de chaleur réduit l'efficacité de celui-ci et peut induire une fissuration des tubes entraînant une rupture et des dommages. Le générateur de vapeur perd alors son rôle de barrière de sécurité de la centrale nucléaire. D'un point de vue fondamental, le transport de particules par un écoulement laminaire ou turbulent a fait l'objet d'une attention croissante au cours de la dernière décennie. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au transport de particules solides autour d'obstacles au sein d'un écoulement confiné. Nous avons développé un dispositif expérimental modèle sous la forme d'un tube vertical dans lequel un fluide circule en régime laminaire. À mi-hauteur de ce tube est inséré un obstacle autour duquel nous avons étudié les trajectoires de particules injectées depuis différents endroits le long du tube et nous avons observé des particules piégées dans la zone de recirculation présente en aval de l'obstacle. En parallèle, nous avons modélisé la trajectoire de particules individuelles en nous appuyant sur l'équation de Boussinesq-Basset-Oseen et en utilisant soit une caractérisation 2D de l'écoulement mesuré par PIV, soit une caractérisation 3D calculée par le logiciel Code_Saturne, code CFD. Les comparaisons que nous avons faites entre expériences et modélisation ont montré un bon accord, nous permettant d'utiliser le modèle pour une étude paramétrique plus étendue que celle que nous avons pu faire expérimentalement. Cependant en régime laminaire et lorsque fluide et particules sont isodenses, nous n'avons pas observé de piégeage permanent de particules autour de l'obstacle. Les perspectives de cette étude sont de s'intéresser au comportement de suspension diluées dans la même configuration. Des résultats préliminaires ont montré un mécanisme intéressant de remplissage puis de vidange en particules des zones de recirculation autour de l'obstacle. Une autre perspective est d'étudier le couplage entre la nature de l'écoulement et le piégeage des particules. Le dispositif expérimental permettant de faire cette étude a été réalisé au cours de cette thèse.

Particle flows are found in many natural phenomena and industrial applications. When the particles encounter one or more obstacles, they can be trapped and settled, triggering the clogging of the pipe containing the suspension. For example, in the nuclear industry, the clogging of steam generators in nuclear power plants is common. Progressive obstruction at the support plates holding the tubes of this heat exchanger reduces the efficiency of the heat exchanger and can induce cracking of the tubes leading to breakage and damage. The steam generator then loses its role as a safety barrier in the nuclear power plant. From a fundamental point of view, particle transport by laminar or turbulent flows has received increasing attention over the last decade. In this PhD dissertation, we focus on the transport of solid particles around obstacles in a confined flow. We developed a model experimental device consisting of a vertical tube in which a fluid flows in a laminar regime. An obstacle was inserted at the middle height of the tube and neutrally-buoyant particles were injected at different locations along the tube. We investigated the particle trajectories and observed trapping of particles in the recirculation zone downstream of the obstacle. We also modeled the trajectories of individual particles based on the Boussinesq-Basset-Oseen equation and using either a 2D characterization of the flow measured by PIV or a 3D characterization calculated by the software Code_Saturne, CFD code. Decent agreement between experiments and modeling can be achieved when the 3D nature of the flow is accounted for in a very fine manner. However, in the laminar regime with neutrally buoyant particles, we did not observe any permanent trapping of particles around the obstacle. This study could be extended to the investigation of the behavior of dilute suspensions in the same configuration. Preliminary results have shown an interesting mechanism of a filling followed by an emptying of particles in the recirculation zones around the obstacle. Another perspective is to study the coupling between the nature of the flow and the trapping of the particles. The experimental set-up used in this study was built up during the PhD thesis.