Nous nous intéressons à la dynamique et aux effets collectifs de particules en transport turbulent. Les écoulements chargés en particules sont omniprésents dans la nature (écoulements pyroclastiques, transport de polluants ...) et dans de nombreux procédés industriels (mélangeurs diphasique ...). Dans ces exemples, l'écoulement est généralement turbulent. Les interactions entre les particules et l'écoulement sont complexes de part la nature multi-échelles des structures de la turbulence et les diverses caractéristiques des particules.

Depuis de nombreuses décennies, la communauté scientifique s'intéresse à ces écoulements, cherchant notamment à établir des modèles prédictifs fiables. Les théories les plus abouties sont les théories inertielles. Celles-ci considèrent les particules comme ponctuelles [1]. La démocratisation des techniques d'imagerie rapide et des moyens numériques ont ouvert la voie à diverses études ayant permis de montrer les limitations prédictives de ces approches idéalisées pour décrire le transport turbulent de particules matérielles réelles et de taille finie. Ceci montre la nécessité de mieux comprendre les couplages entre particules et entre les particules et l'écoulement porteur afin de prendre en compte la multitude des processus physiques sous-jacents (dispersion, effets de l'inertie, rôle de la turbulence, effet de la gravité, formation d'amas et effets collectifs, ...) [2] [3]. Dans un système réel, il est généralement difficile de démêler les effets spécifiques de ces processus.

Pour cela, il est nécessaire de développer des études expérimentales permettant d'agir sur l'un ou l'autre de ces effets de couplage. Pour aborder ces problèmes, le travail que nous présentons propose une étude expérimentale préliminaire du rôle des interactions inter-particulaires (s'affranchissant dans un premier temps des effets de la turbulence) : la sédimentation de particules paramagnétiques soumises à la gravité et à un champ magnétique externe dans un fluide initialement au repos.

Le dispositif expérimental est constitué d'une cellule de Hele-Shaw contenant une suspension (eau) de sphères paramagnétiques de 250 um de diamètre et de densité 1,6 placées entre deux bobines de Helmholtz produisant, au choix, un champ homogène ou inhomogène dont l'amplitude peut-être ajustée. L'ensemble des particules forme initialement un paquet dense au fond de la cellule. Celle-ci pivote rapidement induisant la sédimentation des particules.

Nous suivons la déstabilisation du front de particules (analogue à l'instabilité de Rayleigh-Taylor fluide (RT)) par imagerie rapide pour différentes valeurs de l'amplitude du champ externe. Nos premières mesures montrent un ralentissement de la décompaction à mesure que le champ augmente, suggérant un possible effet cohésif résultant de la formation de chaînes de forces entre les particules (par interactions entre dipôles induits). Ceci est compatible avec l'observation qualitative de l'atténuation de la digitation de RT de l'interface, pouvant s'interpréter comme une augmentation de la tension de surface effective du front de particules, induite par la plus forte interaction entre les particules.

Dans des études à venir nous considérons le cas d'un champ magnétique appliqué inhomogène afin d'étudier non seulement les interactions entre particules mais également la possibilité d'agir avec ou contre la gravité. Ceci pourrait ouvrir une voie intéressante pour des études ultérieures visant à démêler les effets de l'inertie et de la gravité dans les écoulements turbulents chargés en particules.

Références :

[1] M. R. Maxey and J. J. Riley. Equation of motion for a small rigid sphere in a nonuniform flow. Phys. Fluids 26, 883 (1983)

[2] Mickaël Bourgoin and Haitao Xu. Focus on dynamics of particles in turbulence. New J. Phys. 16, 085010 (2014)

[3] Nauman M. Qureshi, Mickaël Bourgoin, Christophe Baudet, Alain Cartellier, and Yves Gagne. Turbulent transport of material particles : An experimental study of finite size effects. Phys. Rev. Lett. 99, 184502 (2007).