Soutenance de thèse de PONCELET Hugo
Titre de thèse
Transport de fibres souples en écoulement turbulent homogène et isotrope
Flexible fibers transport in homogeneous and isotropic turbulent flow
Résumé de la thèse
Le transport de particules anisotropes et déformables est une question clef dans de nombreux écoulements naturels et industriels. Comprendre l'impact des écoulements sur leur forme pour ainsi caractériser avec précision leur déplacement est un enjeu majeur pour modéliser le transport de microplastiques dans les océans, les cycles planctoniques ou la pollinisation des plantes marines à fleurs. C'est aussi une question majeure dans le refroidissement des centrales électriques, où l'eau des rivières transportant diverses particules doit être filtré avant d'entrer dans la centrale. Dans tous ces écoulements, une part significative des particules ont un aspect filiforme, et du fait de leur très grand rapport d'aspect, sont facilement déformables.
Malgré ces nombreuses applications impliquant des objets déformables, les premières études impliquant le transport de fibres flexibles ne datent que des années 2010. Quelques études expérimentales ont apportés des résultats sur les statistiques et les régimes de déformations, mais la grande majorité des études portant sur la dynamique de fibres flexibles sont numériques. L'objectif de cette thèse est, dans un premier temps, de mesurer expérimentalement les statistiques de déformation et de rotation des fibres flexibles en écoulement turbulent homogène et isotrope, et de quantifier ces derniers en fonction des propriétés de flexibilité des dites fibres. Sur le long terme, l'objectif est d'être capable de mesurer les dynamiques de déformation locales, puis d'utiliser les outils développés afin de mesurer les dynamiques de fragmentation de fibres cassantes en turbulence.
Dans ce manuscrit, nous commencerons dans un premier temps par décrire le dispositif expérimental utilisé durant cette thèse: la cuve et l'écoulement généré, les fibres et leur fabrication, ainsi que la méthode de capture d'image à haute fréquence d'acquisition. Ensuite, nous détaillerons la méthode de reconstruction 3D développée dans le but de suivre l'évolution de la forme des fibres et leur déplacement au cours du temps. Puis, nous passerons en revue les différents résultats obtenus à partir des données collectées, en commençant par les statistiques de déformations puis les dynamiques de rotation et d'extension. Enfin, nous passerons en revue les différentes analyses menées qui n'ont pas pu aboutir lors de ces trois années.
Thesis resume
The transport of anisotropic and deformable particles is a central issue in many environmental and industrial flows. Understanding how fluid motion affects their shape, and thus being able to characterize their transport with precision, is crucial for modeling processes such as the dispersion of plastic in the oceans, planktonic cycles, or the pollination of seagrasses. It is also of practical importance for the cooling of power plants that use river water: this water carries particles of various shapes that must be filtered before entering the facility. A significant fraction of the transported particles are filiform and, because of their large aspect ratio, can undergo strong deformations.
Despite the wide range of applications involving deformable objects, the first studies on the transport of flexible fibers in turbulence only appeared in the 2010s. A few experimental works have provided insights into deformation statistics and regimes, but most studies on their dynamics to date are numerical. The primary objective of this PhD is to provide experimental measurements of the deformation and rotation statistics of flexible fibers in homogeneous and isotropic turbulence, and to quantify these as a function of fiber flexibility. A longer-term goal is to experimentally resolve the dynamics of local curvature and, subsequently, to use the developed methods to study the fragmentation dynamics of brittle fibers in turbulence.
This thesis is organized as follows. We first describe the experimental setup, including the turbulence tank, the fibers and their fabrication process, as well as the high-speed imaging technique. We then present the 3D reconstruction method developed to track both the shape evolution and displacement of fibers over time. The results concerning deformation statistics, as well as the dynamics of rotation and extension, are presented thereafter. Finally, we outline several analyses that were initiated during this work but could not be completed within the timeframe of the PhD.