Contribution to the study of collisions between particles and particle-wall interactions in gas-solid flow, by experimental means and Lagrangian simulation
Contribution à l'étude des collisions entre particules et des interactions particules-parois en écoulement gaz-solide, par voie expérimentale et simulation lagrangienne
Résumé
The aim of the present work is to bring experimental and numerical contributions to the knowledge of the effects of collisions between particles in gas-solid flows. A Lagrangian simulation, using a probabiIistic model to take particIe-to-particle collisions into account is used. The first chapter consists in a review of previous works on these collisions and on particle-wall interactions in gas-solid suspension flows. The second chapter explains the development of an original experimental facility allowing the investigation of a gas-solid flow, in a vertical convergent channel, where effects of collisions between particIes are preponderant. Then, the third chapter describes the photographic technique of visualization and the image analysis method. Experimental results (Chapter IV) obtained for two mass flow rates of spherical glass beads (3mm in diameter) show the influence of collisions between particles on the evolution of the characteristics of the flow (velocity and concentration profiles). This experimental work is completed with measurements of particle-wall interactions characteristics (restitution and friction coefficients, roughness parameter) in our experiments. Next, the study of the influence of each parameter used to model particle-wall interactions and particle-to-particle collisions in the Lagrangian simulation is realized in chapter V. Finally, experimental resuIts are compared with predictions of this simulation (Chapter VI). The relevancy of using a probabilistic model to take collisions between particles into account is shown. An improvement of this model has been proposed. Nevertheless, it still needs to be improved. Departure from sphericity of the particles should also be modelled to get better predictions.
L'objectif de ce travail est d'apporter une contribution tant expérimentale que numérique à l'étude des phénomènes de collisions entre particules en écoulement gaz-solide. La simulation numérique est effectuée à l'aide d'une technique lagrangienne de suivi des particules complétée par une méthode probabiliste pour tenir compte des collisions entre celles-ci. Le premier chapitre est consacré à une revue bibliographique sur les problèmes de collisions entre particules et sur les interactions particules-parois dont le rôle est également important en écoulement en conduite. Le deuxième chapitre présente l'élaboration d'un dispositif expérimental original, permettant l'étude d'un écoulement gaz-solide en conduite où les effets des collisions entre particules sont prépondérants. Le troisième chapitre expose ensuite la technique photographique de visualisation employée et la méthode d'analyse d'images qui lui est associée. Les résultats expérimentaux (chapitre IV) obtenus pour deux débits massiques en particules de verre, sphériques, de 3mm de diamètre, montrent l'influence des collisions entre particules sur l'évolution des caractéristiques de l'écoulement (profils de vitesses et de concentration). Cette partie expérimentale est complétée par la mesure des caractéristiques des contacts particules-parois (coefficients de restitution et de frottement, paramètre de rugosité) pour les particules et le type de paroi utilisés. L'étude de l'influence respective de chacun des paramètres intervenant dans les modélisations des interactions particules-parois et des collisions entre particules est réalisée au chapitre V. La confrontation des résultats expérimentaux et numériques (chapitre VI), où l'on fait évoluer les paramètres les plus influents, permet de confirmer la pertinence de l'utilisation du modèle probabiliste introduit dans la simulation lagrangienne. Cependant, bien qu'une amélioration ait été apportée au modèle probabiliste, il reste nécessaire de perfectionner l'expression de la fréquence de collisions utilisée. En outre, la modélisation de la legère non-sphéricité des particules devrait également permettre de meilleures prédictions.