Numerical modeling of the sedimentation process: a numerical study at the particulate scale

In the present thesis, a fully-resolved numerical code has been developed for the analysis of particle-laden flows. A fictitious domain method is used. First, this numerical tool has been validated by using classical benchmarks. It has then been used to simulate the complex sedimentation of particles in three generic two-dimensional configurations: a single particle, a particle pair and a large number of particles in a confined domain. In the first case, the peak-velocity of an off-centred inclusion is recovered at low-Reynolds number. It is shown that this peak-velocity is very sensitive to fluid inertia: the peak-velocity decreases when the Reynolds number increases. This effect is delayed by the confinement. The very complex dynamics of a pair of particles sedimenting in a confined domain, observed in the litterature, is recovered (hysteresis, period-doubling cascade and chaos). It is shown that a new series of bifurcations, leading to a new attractor, emerges when the non-dimensional particle weight is increased. This new transition corresponds to a quasi-periodic route. The extended bifurcation diagram is given. The new branch discovered in this work corresponds to a nearly horizontal particle doublet, with a slow settling velocity. In the case of the settling of large number of particles, a RZ-like law is recovered for the sedimentation velocity of the fluid-particle interface. The exponent is close to 4, in contrast with the case of spheres. Finally, the sedimentation velocity at the end of the settling process is observed to be significantly reduced, like for cohesive sediments. This unexpected behaviour is related to the two-dimensionality of the suspension
Dans cette thèse, nous avons développé un code de simulation numérique directe pour l’étude des écoulements particulaires. Le schéma numérique est basé sur une technique de domaines fictifs. Le code est validé sur de nombreux cas test puis nous l’avons utilisé pour étudier la sédimentation de particules bidimensionnelles en milieu confiné. Trois cas ont été analysés : sédimentation d’une particule unique, d’un doublet de particules et d’un grand nombre de particules. Dans le premier cas nous retrouvons le phénomène de survitesse qui apparaît pour une particule excentrée à bas nombre de Reynolds. Nous montrons que cette survitesse est très sensible à l’inertie du fluide : elle diminue lorsqu’on augmente le nombre de Reynolds. Cet effet est retardé par le confinement. Dans le cas d’un doublet de particules, nous retrouvons les comportements complexes observés dans la littérature (hystérésis, cascade sous-harmonique et chaos). Nous montrons qu’une nouvelle série de bifurcations et un nouvel attracteur apparaissent pour des particules plus pesantes. Il s’agit là d’une transition vers le chaos par la voie de la quasi-périodicité. Nous donnons le diagramme de bifurcation étendu. La nouvelle branche correspond à une structure horizontale qui conduit à une sédimentation lente. Dans le cas d’un grand nombre de particules, nous montrons que la vitesse de chute de l’interface fluide-particules suit une loi de type Richardson-Zaki, mais avec un exposant d’environ 4. Comme pour des sphères, la valeur de cet exposant dépend du confinement. Enfin, nous observons un phénomène de blocage, inattendu pour des particules non-cohésives, dû au caractère bidimensionnel de la suspension