Soutenance de thèse de DAVIDE DI GIUSTO

Dans cette thèse, l'influence de l'inertie et de la flexibilitè sur la dynamique des particules allongèes dans les ècoulements a ètè ètudièe. En particulier, des expèriences originales ont ètè conçues et rèalisèes pour comprendre les effets de la petite inertie sur la dynamique rotationnelle de particules individuelles axisymètriques à flottabilitè neutre dans un ècoulement de cisaillement, tandis que des simulations prècises ont ètè menèes pour examiner l'effet de la flexibilitè dans un ècoulement turbulent d'une suspension de fibres limitè par des parois. Très riche en physique, le problème considèrè dans ce travail est d'une grande portèe d'un point de vue fondamental, mais il a ègalement une importance pratique car il est pertinent pour plusieurs processus environnementaux et d'ingènierie. Dans la première partie de ce manuscrit, nous prèsentons l'ètude expèrimentale examinant l'influence de la petite inertie sur la dynamique de rotation de une seule particule axisymètrique en suspension dans un ècoulement à cisaillement simple. Une cellule de cisaillement sur mesure et une mèthode de reconstruction de forme multi-vues sont utilisèes pour obtenir des mesures directes de l'orientation et de la pèriode de rotation de particules cylindriques et ellipsoïdales de diffèrents rapports d'aspect. En modifiant systèmatiquement la viscositè du fluide, nous examinons l'effet de l'inertie sur le comportement dynamique de ces particules en suspension jusqu'à un nombre de Reynolds d'environ un. Alors qu'aucun effet significatif sur la pèriode de rotation n'est trouvè dans ce règime à faible inertie, une dèrive systèmatique parmi plusieurs rotations vers des orbites stables limites est observèe. Les particules 'prolate' dèrivent vers l'orbite de culbute dans le plan de cisaillement, tandis que les particules 'oblate', quel que soit leur rapport d'aspect, sont entraînèes soit vers l'orbite de culbute, soit vers l'orbite de rotation alignèe avec la vorticitè, en fonction de leur orientation initiale. Ces rèsultats sont comparès aux rècentes thèories asymptotiques en regime de petite inertie. La deuxième partie du manuscrit se concentre sur l'ètude numèrique, qui a ètè menèe au moyen d'une approche de calcul eulèrienne-lagrangienne basèe sur la DNS de la turbulence couplèe à la LPT de fibres allongèes et flexibles dispersèes dans un ècoulement en canal. Les particules sont modèlisèes comme des chaînes de tiges sub-Kolmogorov contraintes qui s'ètendent bien dans la plage inertielle de la turbulence et sont naturellement enclines à la flexion. Les statistiques sont prèsentèes au nombre de Reynolds de cisaillement $Re_{tau} = 300$, mettant en èvidence l'interaction complexe entre les fibres et la turbulence, tout en èvaluant l'influence de la rigiditè de flexion et de l'inertie. Dans le coeur de l'ècoulement, les fibres flexibles s'orientent et tournent comme s'il s'agissait de particules rigides dans une turbulence isotrope homogène, alors que les mêmes particules s'orientent avec l'ècoulement moyen et connaissent des taux de rotation plus èlevès lorsqu'elles se dèplacent vers les parois. En examinant la dèformation des particules, nous constatons que la configuration la plus probable pour les longues fibres flexibles dans la turbulence de paroi est une configuration ètirèe. La dynamique de la dèformation des particules est discutèe, donnant un aperçu de sa relation avec l'activitè de la turbulence à petites èchelles. Enfin, nous discutons de l'efficacitè des fibres longues et minces comme agents de rèduction de la traînèe dans les ècoulements turbulents de canaux à $Re_{tau}=150,300$. La prèsence des particules dètermine une contrainte non-newtonienne dans l'èquilibre du moment axial de l'ècoulement turbulent en canal, influençant les moments de premier et de second ordre de la vitesse du fluide. L'analyse des spectres et du bilan de l'ènergie cinètique turbulente permet de comprendre le mècanisme responsable de la rèduction de la traînèe.

In this thesis, the influence of inertia and flexibility on the dynamics of elongated particles in fluid flows has been investigated. In particular, original experiments have been designed and performed to understand the small-inertia effects on the rotational dynamics of neutrally-buoyant axisymmetric particles in a viscous shear flow, while accurate simulations have been conducted to examine the effect of flexibility in a wall-bounded turbulent flow. Being very rich in physics, the physical problem considered in this work is far-reaching from a fundamental point of view, but it has also a practical importance being relevant to several environmental and engineering processes. In the first part of this manuscript, we present an experimental study examining the influence of small-inertia on the rotational dynamics of axisymmetric particles suspended in a simple shear flow. A custom-built shearing cell and a multi-view shape-reconstruction method are used to obtain direct measurements of the orientation and period of rotation of cylindrical and ellipsoidal particles of varying aspect ratios. By systematically changing the viscosity of the fluid, we examine the effect of inertia on the dynamical behaviour of these suspended particles up to particle Reynolds number of approximately one. While no significant effect on the period of rotation is found in this small-inertia regime, a systematic drift among several rotations toward limiting stable orbits is observed. Prolate particles are seen to drift towards the tumbling orbit in the plane of shear, whereas oblate particles of any particle aspect ratio are driven either to the tumbling or to the vorticity-aligned spinning orbits, depending on their initial orientation. These results are compared to recent small-inertia asymptotic theories. The second part of the manuscript focuses on the numerical study, which was conducted by means an Eulerian-Lagrangian computational approach based on DNS of turbulence coupled with LPT of elongated and flexible fibres dispersed in channel flow. Particles are modelled as chains of constrained sub-Kolmogorov rods that extend well in the inertial range of turbulence and are naturally prone to bending. Statistics are presented at shear Reynolds number $Re_{tau} = 300$, highlighting the complex interaction between fibres and turbulence, while evaluating the influence of bending stiffness and inertia. In the bulk of the flow flexible fibres are seen to orient and rotate as if they were rigid particles suspended in Homogeneous Isotropic Turbulence, whereas the same particles orient with the mean flow and experience stronger tumbling rates when they move to the walls. By looking at the deformation of the particles, we find that the most probable configuration for long flexible fibres in wall turbulence is a stretched one. The dynamics of particle deformation are discussed, giving some insight into its relation to small-scales turbulence activity. Finally, we discuss the effectiveness of long and slender fibres as drag reducing agents in turbulent channel flows at $Re_{tau}=150,300$. The presence of the particles determines a Non-Newtonian stress in the axial momentum balance of the turbulent channel flow, influencing the first and second-order moments of the fluid velocity. The analysis of the spectra and the budget of turbulent kinetic energy provides more insight into the mechanism responsible for drag reduction.