Soutenance de Florencia Falkinhoff

Cette thèse présente une étude expérimentale et numérique portant sur l’hydrodynamique dans des lits fixes de particules sphériques qui sont distribuées aléatoirement à l’intérieur d’un conteneur cylindrique (par exemple, un réacteur), de sorte que les effets de bord ne sont pas négligeables. Les lits fixes sont un exemple particulier de milieu poreux, et nous sommes particulièrement motivés par l’utilisation de lits fixes dans le cadre des technologies AA-CAES en tant qu’unités de stockage d’énergie termique.

Les lits fixes, comme les milieux poreux en général, présentent un problème multi-échelle : l’hydrodynamique à la plus petite échelle peut être très différente de celle à la plus grande échelle. Afin de surmonter cette hiérarchie d’échelle, des méthodes de changement d’échelle sont générale- ment utilisées, telles que le calcul de la moyenne volumique, qui relie les fluctuations à petite échelle avec la dynamique à grande échelle. Ces techniques sont généralement appliquées à une méso- échelle. Cependant, les équations impliquées à cette échelle ne forment pas un système fermé, de sorte qu’un modèle de fermeture est nécessaire.

De plus, les écoulements qui saturent les lits fixes peuvent devenir incroyablement complexes, car la distribution des sphères et les parois produisent des chemins tortueux et des changements locaux dans la porosité, et il existe des interactions solide-fluide qui dirigent et affectent également l’hydrodynamique. Afin d’explorer comment ces effets peuvent affecter les techniques de changement d’échelle, nous avons étudié le comportement d’un écoulement inertiel confiné aux trois échelles : la macro, la micro et la méso. Pour ce faire, nous avons effectué des simulations numériques et réalisé deux campagnes expérimentales. Les méthodes expérimentales et numériques nous ont permis d’étudier les effets hydrodynamiques des trois paramètres non dimensionnels impliqués dans le système : le nombre de Reynolds Re, la porosité ε et le rapport diamètre de la sphère/réacteur D/d.

Les premières campagnes expérimentales et numériques ont été consacrées à à l’étude de l’écoulement à travers des lits fixes d’un point de vue global (macro). Nous avons étudié la variabilité du champ de pression et du gradient de pression et comment ils sont affectés par les effets de confinement.

La deuxième campagne expérimentale a consisté à étudier l’hydrodynamique à l’échelle des pores (micro) par la vélocimétrie par suivi de particules en adaptation d’indice optique. Nous avons observé que même si l’écoulement est globalement laminaire, son comportement à la micro-échelle est comparable à celui d’un écoulement turbulent. Nous avons ensuite complété les expériences par des données numériques, qui nous ont permis d’étudier l’homogénéité et l’isotropie locales de l’écoulement.

Nous avons finalement relié les résultats obtenus à l’échelle globale et à l’échelle des pores à la méso-échelle en utilisant des résultats numériques, qui reflètent la nature multi-échelle du système. Nous avons exploré les différents termes impliqués dans les équations non fermées moyennées en volume afin d’aider à trouver un modèle de fermeture qui prend en compte les effets de paroi, qui incluent les interactions locales solide-fluide et le tenseur des contraintes de Reynolds.