Étude expérimentale des interactions entre deux particules sphériques, relâchées dans l'eau stagnante

The interaction between particles submerged in water, a liquid that we use in our daily life, is an interesting research topic, which has been addressed in several fields - chemical engineering, industrial engineering, energy engineering, etc. In this thesis, we are interested and we focus on the one between two spherical particles, which are identical. The objectives consist of two parts: what is specific for this project, contributing to the development of a tool for predicting the trajectories of two spherical, rigid, identical, initially immobile particles which are submerged; and in the long term, build a model able to predict the trajectory of a particle or a bubble in water, within a cloud of other particles or bubbles. This research project begins with the design and construction of the brand new experimental device, in which a vacuum pump was used to complete the mechanism of attachment and release of two particles. The experiments are done using several types of particles (of di˙erent sizes, from 3.175 mm to 9.525 mm, and di˙erent densities, from 670 kg/m3 to 1410 kg/m3, of which the range is around that of the water) and similar results (the trajectories, the evolutions of the speeds, etc.) are obtained. Basically, for each pair of particles that are initially side to side with no initial velocity, they start by approaching and then move away, while accelerating and going up or going down, but staying in the same vertical plane shortly after the liberation ; for each pair of particles that are initially in a vertical line without initial velocity, they approach slightly and then the one behind accelerates in such a way that the line connecting their centers gradually becomes horizontal (transverse). At the end we discuss the experimental results. A review of all that I have been able to do and all that I have not done, improvements and future work are discussed and presented, so that this project can go further in the future, before reaching its final goal.

Résumé

L'interaction entre des particules submergées dans l'eau, un liquide que nous utilisons dans notre vie quotidienne, est un sujet de recherche intéressant, qui a été abordé dans plusieurs domaines – génie chimique, génie industriel, génie énergétique, etc. Dans ce mémoire, nous sommes intéressés et nous nous concentrons sur les interactions entre deux particules sphériques identiques. Les objectifs sont constitués de deux parties : ce qui est spécifique pour ce projet, contribuer à l'élaboration d'un outil de prédiction des trajectoires de deux particules sphériques, rigides, identiques, initialement immobiles, qui sont submergées ; et à long terme, construire un modèle permettant de prédire la trajectoire d'une particule ou d'une bulle dans l'eau, au sein d'un nuage d'autres particules ou bulles. Ce projet de recherche commence par la conception et la construction du tout nouveau dispositif expérimental, dans lequel une pompe à vide a été utilisée afin de compléter le mécanisme de fixation et de libération de deux particules. Les expériences sont faites en utilisant plusieurs types de particules (de différentes tailles, de 3.175 mm à 9.525 mm, et de différentes masses volumiques, de 670 kg/m3 à 1410 kg/m3, dont la plage est approximativement autour de celle de l'eau) et des résultats similaires (les trajectoires, les évolutions des vitesses, etc.) sont obtenus. Pour chaque paire de particules qui sont initialement côte à côte sans vitesse initiale, elles commencent par s'approcher et puis s'éloignent, en accélérant (en montant ou en descendant), mais en restant dans un même plan vertical peu après la libération ; pour chaque paire de particules qui sont initialement devant derrière sans vitesse initiale, elles s'approchent légèrement puis celle qui est derrière accélère d'une façon telle que la ligne reliant leurs centres devient au fur et à mesure horizontale (transversale). À la fin, une discussion sur l'ensemble des résultats est proposée. Un bilan de tout ce que j'ai pu faire et tout ce que je n'ai pas fait, des améliorations et des travaux futurs sont discutés et présentés, pour que ce projet puisse aller plus loin dans le futur, avant d'atteindre son objectif final.