Soutenance de thèse de HECTOR DE LA ROSA ZAMBRANO

Les agrégats de particules sont fréquemment rencontrés dans de nombreux écoulements naturels et industriels. Cette thèse décrit principalement le processus de fragmentation d'agrégats de particules par la turbulence lorsque ces particules et les agrégats qu'elles forment, possèdent une échelle appartenant à la zone inertielle de la turbulence, donc plus grande que l'échelle de Kolmogorov – ce qui fait d'ailleurs l'originalité de l'étude par rapport aux nombreuses analyses de flocs de taille sub-Kolmogorov. Dans une première expérience, nous avons placé des particules millimétriques, aimantées et agrégées par leurs champs magnétiques, dans un écoulement turbulent de von Kármán à nombre de Reynolds élevé. Les fluctuations turbulentes imposent des contraintes qui fragmentent les agrégats alors que la cohésion est assurée par les forces et couples magnétiques entre les dipôles. Grâce à des analyses d'images vidéo, nous avons effectué la reconstruction en trois dimensions des agrégats et avons mesuré leurs tailles caractéristiques. Le nombre moyen de particules à l'intérieur de chaque agrégat peut alors en être déduit en fonction de l'intensité de la turbulence. En supposant une loi d'échelles « à la Kolmogorov » pour les incréments de fluctuations de vitesse, nous sommes capables de prédir théoriquement la taille moyenne des agrégats en fonction du taux de dissipation de la turbulence. Les résultats expérimentaux sont en très bon accord avec notre modèle de fragmentation. La seconde partie de la thèse s'intéresse à la caractérisation de la force de friction responsable de la cohésion des agrégats de fibres, dans laquelle les fibres sont tendues et enchevêtrées. Le frottement aux points de contact entre les fibres est considéré comme étant produit par la rigidité des fibres et le coefficient de frottement entre fibres. Pour ce faire, nous avons utilisé un modèle simplifié consistant en une fibre unique contrainte dans un réseau de contacts de géométrie bien définie. Nous avons effectué des expériences dans lesquelles nous avons mesuré la forcenécessaire pour extraire la fibre du réseau . Les résultats nous permettent d'estimer la force de cohésion dans les agrégats de fibres. Finalement, dans une troisième expérience nous avons remplacé les particules magnétiques étudiées dans la première partie par des fibres souples de silicone, de longueur 5cm et de diamètre 0.8 mm. Contrairement au cas des particules magnétiques, la force de cohésion n'est pas ici caractérisée précisément : elle dépend de l'élasticité des fibres, des frottements entre fibres et de leur concentration. Par analyse des images vidéo, la moyenne des surfaces observées sans fibres (correspondant aux projections des volumes vides de fibres) est calculée pour chaque taux de turbulence et pour différentes concentration de fibres: à fort taux de turbulence, l'écoulement avec les fibres reste homogène tandis qu'à plus faible taux de turbulence, des agrégats de fibres apparaissent. Une analyse théorique s'appuyant sur l'équilibre entre agrégation et fragmentation permet alors de montrer l'existence d'un seuil de transition entre les deux régimes. Ce seuil est fonction entre autres de l'intensité de la turbulence et de la concentration en fibres. Nos expériences permettent alors de valider notre modèle d'agrégation/fragmentation.

Particle aggregates are frequently encountered in many natural and industrial flows. This thesis mainly describes the process of fragmentation of particle aggregates by turbulence when these particles and the aggregates they form have a scale belonging to the inertial zone of turbulence larger than the Kolmogorov scale - which is also the originality of the study compared to numerous analyzes of flocs of size sub-Kolmogorov. In a first experiment, we have placed millimetric particles, magnetized and aggregated by their magnetic fields, in a turbulent von Kármán flow at high Reynolds number. The turbulent fluctuations impose stresses that fragment the aggregates while the cohesion is ensured by the magnetic forces and torques between the dipoles. Through video image analysis, we performed the three-dimensional reconstruction of the aggregates and measured their characteristic sizes. The average number of particles within each aggregate can then be deduced as a function of the intensity of the turbulence. Assuming a "Kolmogorov" scaling law for velocity fluctuations increments, we are able to theoretically predict the average size of the aggregates as a function of the turbulence dissipation rate. The experimental results are in very good agreement with our fragmentation model. The second part of the thesis is devoted to characterize the friction force responsible of the cohesion of fiber aggregates, in which the fibers are strained and entangled. The friction at the contact points between the fibers is considered to be produced by the stiffness of the fibers and the friction coefficient between fibers. In order to do this, we used a simplified model consisting in a single fiber strained in a network of contacts with a well defined geometry. We performed experiments in which we measure the force necessary to pull out the fiber out of the network. The results allow us to estimate the cohesion force in fiber aggregates. Finally, in a third experiment we replaced the magnetic particles studied in the first part by flexible silicone fibers of length 5cm and diameter 0.8 mm. Unlike the case of the magnetic particles, the cohesive force is not precisely characterized here: it depends on the elasticity of the fibers, on the friction between fibers and on their concentration. By analyzing the video images, the average of the surfaces observed without fibers (corresponding to the projections of the volumes empty of fibers) is calculated for each turbulence rate and for different fiber concentrations: at high turbulence rate, the flow with the fibers remains homogeneous while at lower turbulence, aggregates of fibers appear. A theoretical analysis based on the balance between aggregation and fragmentation shows the existence of a transition threshold between the two regimes. This threshold is a function among other parameters, of the intensity of the turbulence and the fiber concentration. Our experiments validate our aggregation / fragmentation model.