• Langue : Anglais
• Discipline : Mécanique, Énergétique, Matériaux
• Identifiant : 2019LILUI070
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 22/11/2019

Résumé en langue originale

Le mélange de fluides représente un élément important du domaine de la dynamique des fluides, ce qui rend la compréhension de ce sujet si significative du point de vue fondamental et appliqué (p. ex., les processus industriels). Dans les géométries miniaturisées (dans des conditions typiques) le mélange est un processus lent, difficile et inefficace. Cela en raison du caractère naturellement laminaire de ces écoulements, qui oblige l'homogénéisation de différents éléments fluides à se produire par diffusion moléculaire au lieu d'un transport advectif, à l'action plus rapide. Cependant, des études expérimentales récentes sur les écoulements viscoélastiques à faible nombre de Reynolds ont montré qu'un mélange efficace peut être déclenché dans plusieurs configurations géométriques (y compris les dispositifs à l'échelle microscopique), par le phénomène de la turbulence élastique. La première partie de cette thèse est consacrée à la compréhension et à l'investigation des défis numériques présents dans le domaine de la dynamique des fluides non newtonienne, en se concentrant plus particulièrement au problème du haut nombre de Weissenberg. Ce dernier se manifeste par une rupture du schéma numérique, lorsque les équations d'évolution d'extra-contraintes polymériques sont évaluées de façon directe. Ceci pose des limites importantes à la possibilité de simuler avec précision des écoulements turbulents-élastiques. Nous fournissons des preuves numériques de l'effet bénéfique (en termes de gain en stabilité) de la décomposition en racine carrée de l'extra-contrainte dans une implémentation en volumes finis des équations régissant l'écoulement dans un canal bidimensionnel. La deuxième partie de la thèse traite de l’émergence et de la caractérisation d’instabilités purement élastiques dans des simulations numériques de fluides Oldroyd-B à nombre de Reynolds zéro dans une géométrie du type cross-slot bidimensionnel. Grâce à un travail numérique approfondi, nous présentons une caractérisation détaillée des instabilités purement élastiques. Ces instabilités apparaissant dans le système pour de larges plages d'élasticité du fluide et de concentration des polymères. Pour les solutions concentrées et des nombres de Weissenberg assez grands, nos simulations indiquent l’apparition d’un écoulement désordonné pointant vers la turbulence élastique. Nous analysons le passage à une dynamique irrégulière et caractérisons les propriétés statistiques de tels écoulements très élastiques, en discutant des similitudes et des différences avec les résultats expérimentaux de la littérature.

Résumé traduit

Fluid mixing represents an important component of the field of fluid dynamics, what makes the understanding of this subject so meaningful from both the fundamental and applied (e.g. industrial processes) point of view. In miniaturised geometries, under typical conditions, mixing is a slow, difficult and inefficient process due to the naturally laminar character of these flows, which forces the homogenisation of different fluid elements to occur via molecular diffusion instead of faster-acting advective transport. However, recent experimental studies on low-Reynolds-number viscoelastic flows have shown that efficient mixing can be triggered in several geometrical configurations (including micro-scale devices), by the phenomenon of elastic turbulence. The first part of this thesis is devoted to the understanding and investigation of numerical challenges present in the domain of non-Newtonian fluid dynamics, focusing in particular on the high-Weissenberg number problem. The latter manifests as a breakdown of the numerical scheme when the polymeric extra-stress evolution equations are implemented in a direct way, which poses severe limits to the possibility to accurately simulate elastic turbulent flows. We provide numerical evidence of the beneficial effect (in terms of increased stability) of the square-root decomposition of the extra-stress in a finite-volume-based implementation of the governing equations in a two-dimensional channel. The second part of the thesis reports about the emergence and characterisation of purely-elastic instabilities in numerical simulations of zero-Reynolds-number Oldroyd-B fluids in a two-dimensional cross-slot geometry. By means of extensive numerical work, we provide a detailed characterisation of the purely-elastic instabilities arising in the system for wide ranges of both the fluid elasticity and the polymer concentration. For concentrated solutions and large enough Weissenberg numbers, our simulations indicate the emergence of disordered flow pointing to elastic turbulence. We analyse the transition to irregular dynamics and characterise the statistical properties of such highly elastic flows, discussing the similarities and differences with experimental results from the literature.