Étude numérique du dépôt turbulent de particules non-browniennes en suspension dans un liquide (application aux inclusions dans l'acier liquide)

摘要

Nous étudions par simulation numérique le transport et le dépôt turbulent d inclusions d oxydes métalliques (de l ordre de 10 m de diamètre) en suspension dans l acier liquide. Deux surfaces de dépôt sont envisagées : l interface acier liquide/paroi solide et l interface métal liquide/laitier. Dans les deux cas, nous nous focalisons sur la couche limite adjacente à l interface. Le comportement des inclusions en suspension est examiné à l aide d un suivi lagrangien où le poids, la poussée d Archimède, la force d accélération en volume, la force de masse ajoutée et la force de traînée sont prises en compte dans l équation de la dynamique. Dans le cas de la paroi solide, nous nous appuyons sur une représentation schématique de l écoulement du métal liquide dans la sous-couche visqueuse et dans la zone tampon, où les structures turbulentes qui apportent le liquide à la paroi (sweeps) ou l éjectent (bursts) sont décrites analytiquement (modèle d Ahmadi). Les simulations numériques montrent que les mécanismes principaux de dépôt des inclusions sont la sédimentation et dans une moindre mesure l interception directe. Notons cependant que la contribution de l interception directe croît avec l intensité turbulente de l écoulement et peut devenir prépondérante pour les vitesses de frottement les plus élevées (au-delà de 0,1 m.s-1). Les effets inertiels ont, quant à eux, une contribution négligeable sur le dépôt des inclusions (contrairement au cas des aérosols). Enfin, la prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la paroi solide conduit à une diminution significative de la vitesse de dépôt des inclusions. Dans le cas de l interface acier liquide/laitier, l écoulement du métal liquide est calculé par simulation numérique directe (DNS) à l échelle de la couche de surface. La turbulence, générée à distance de l interface par un forçage aléatoire, diffuse vers l interface métal liquide/laitier modélisée comme une surface libre indéformable. L évolution des inclusions en suspension est obtenue par un suivi lagrangien à l aide d un couplage one-way. Le nombre de Reynolds de surface des simulations varie de 68 à 235. Le diamètre des inclusions varie de 10-5m à 5.10-5m et le rapport entre la densité des inclusions et la densité du métal varie de 0,5 (inclusions d alumine) à 1 (inclusions fictives). Il apparaît que le dépôt des inclusions d alumine est contrôlé par la sédimentation. En l absence d effet gravitaire, le dépôt d inclusions est contrôlé par l interception directe et dépend fortement du nombre de Reynolds de surface. Dans ce dernier cas, nous montrons que la vitesse de dépôt adimensionnée par la vitesse de Kolmogorov de surface est proportionnelle au diamètre des inclusions adimensionné par la longueur de Kolmogorov de surface. La prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la surface libre conduit à une diminution de moitié de la contribution de l interception directe mais affecte peu la contribution gravitationnelle. En outre, en l absence d effet gravitaire, la linéarité entre la vitesse de dépôt adimensionnée et le diamètre des inclusions adimensionné est conservée.