Les écoulements chargés en particules sont omniprésents dans la nature (coulées pyroclastiques, gouttes d'eau dans les nuages...) et l'industrie (mélangeurs industriels, combustion des gouttelettes de carburants dans un moteur diesel, polluants, etc). Souvent l'écoulement est turbulent et, dans un système réel, les interactions entre les particules et l'écoulement sont complexes de part la nature multi-échelle des structures de la turbulence et les diverses caractéristiques des particules. L'originalité de cette thèse est de se focaliser sur les écoulements très fortement chargés en particules, lorsque que les couplages entre les particules et le fluide les transportant sont très forts. Pour une première exploration, nous avons utilisé un écoulement de von Kármán vertical à un disque pour tenter de répondre à la problématique suivante : comment les particules modifient-elles la turbulence?
Avant d'aborder celle-ci, nous nous sommes intéressés à des écoulements faiblement ensemencés à l'aide des diagnostics optiques pour d'une part caractériser la distribution spatiale de particules inertielles (billes de verres, dp=350 μm) et d'autre part essayer de démêler/comprendre les phénomènes de mise en suspension et de sédimentation de notre écoulement avec des particules légèrement inertielles. Ensuite nous avons étudié la modification de l'intensité de la turbulence en augmentant de manière non négligeable la fraction volumique de particules ([0-20]%). Dans cette situation la suspension (turbulente) est opaque, et les diagnostics optiques classiques de caractérisations de la phase liquide et solide sont peu utilisables. Pour cela nous avons développé et mis en place des mesures "multi-échelle" : (i) une mesure globale de la puissance mécanique injectée par le moteur nécessaire pour maintenir l'intensité de la turbulence de l'écoulement et (ii) une mesure des fluctuations de pression pour tenter une première approche de comment et à quelle échelle l'écoulement est impacté par les particules. Au travers de ces mesures nous avons mis en évidence un effet de la densité effective du mélange (fluide + particule) à grande échelle et une redistribution significative des fluctuations lorsque la fraction volumique de particules augmente en fonction du diamètre des particules. Enfin, dans le but de confirmer ces tendances, une première tentative de mesure de vitesses par Vélocimétrie Doppler Laser (LDV) est réalisée avec une solution d'indice optique adaptée entre le fluide et les particules.
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