Daniel Huilier IMFS Equipe Instabilités-Turbulence-Diphasique
Une sphère unique placée dans un fluide va sédimenter si sa densité est supérieure à la densité du fluide.
Après une phase initiale d’accélération, elle va ensuite sédimenter à sa vitesse limite de chute. La valeur du
nombre de Reynolds calculé avec cette vitesse de chute va permettre de savoir si c’est un vitesse de chute
visqueuse ou inertielle. Dans le premier cas il y a égalité entre le poids apparent (poids corrigée de la poussée
d’Archimède) et la force de Stokes :
StokesFS RURg
πμπρρ
6
3
4
)( 3=−
soit 2
.
9
2R
g
UStokes
μ
=
avec FS
−=Δ . Cette vitesse limite de chute est dite vitesse limite de Stokes. Elle est proportionnelle
au carré du rayon, donc les grosses particules sédimentent plus vite. Ce résultat reste vrai même si les
particules ne sont pas parfaitement sphériques.
En réalité, les toutes petites particules (~ 1 μm) dites particules colloïdales ou particules browniennes ne
sédimentent pratiquement pas à cause de l’agitation thermique (la vitesse aléatoire moyenne devient
supérieure à la vitesse de sédimentation).
Pour que le nombre de Reynolds de chute soit petit et que l’on puisse utiliser la formule de la force de Stokes
il faut :
1..
9
4
2
Re 2
3
<<
Δ
==
νρ
ρ
ν
gR
RUStokes
soit
3
1
2
..
4
9⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
Δ
<< g
R
ν
ρ
ρ
Si maintenant beaucoup de particules sédimentent ensemble, le calcul de la vitesse de sédimentation se
complique nettement (il n’est d’ailleurs pas résolu à ce jour). En effet il existe des interactions collectives (à
N corps) car le champ de vitesse autour d’une particule décroît lentement (en 1/r) et des effets dus à la taille
finie du récipient (effet de paroi). De fait la sédimentation d’un grand nombre de particules crée un contre-
écoulement du fluide vers le haut qui ralentit leur chute (une jolie démonstration en est l’effet Boycott
observé lorsque l’on incline le récipient). La vitesse est alors une fonction de la concentration en particules :
– A faible Reynolds, Albert Einstein (1905) a donné le premier terme correctif à la vitesse limite de chute
dépendant de la concentration c en particules : Vlim ≈ VStokes [1 − 6, 55 c].
– Au-delà, on utilise la loi empirique de Richardson-Zaki, Vlim ≈ VStokes [1 − c/cmax]n où n ≈ 5, mais dépend
du nombre de Reynolds et cmax est la compacité maximum, de l’ordre de 54 % pour un empilement
aléatoire lâche de sphères identiques.
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