Les agrégats de particules sont fréquemment rencontrés dans de nombreux écoulements naturels et industriels. Nous décrivons ici le processus de fragmentation d'agrégats de particules par la turbulence lorsque ces particules et les agrégats qu'elles forment, possèdent une échelle appartenant à la zone inertielle de la turbulence, donc plus grande que l'échelle de Kolmogorov – ce qui fait d'ailleurs l'originalité de notre étude par rapport aux nombreuses analyses de flocs sub-Kolmogorov [1]. Dans une première expérience, nous plaçons des particules millimétriques, aimantées et agrégées par leurs champs magnétiques, dans un écoulement turbulent de von Kármán à nombre de Reynolds calculé sur l'échelle de Taylor élevé (Re~ 600-1000 ; échelle de Kolmogorov η ~ 28-65 microns). Les fluctuations turbulentes imposent des contraintes qui fragmentent les agrégats alors que la cohésion est assurée par les forces et couples magnétiques entre les dipôles. Grâce à des analyses d'images vidéo, nous avons effectué la reconstruction en trois dimensions des agrégats et avons mesuré leurs tailles caractéristiques. Le nombre moyen de particules à l'intérieur de chaque agrégat peut alors en être déduit en fonction de l'intensité de la turbulence. En supposant une loi d'échelles « à la Kolmogorov » pour les incréments de fluctuations de vitesse, nous prédisons théoriquement la taille moyenne des agrégats en fonction du taux de dissipation de la turbulence. Les résultats expérimentaux sont en très bon accord avec notre modèle de fragmentation [2]. Dans un deuxième temps, nous avons remplacé les particules magnétiques par des fibres souples de silicone, de longueur 5cm et de diamètre 0.8 mm. Contrairement au cas précédent des particules magnétiques, la force de cohésion n'est pas ici caractérisée précisément : elle dépend de l'élasticité des fibres, des frottements entre fibres et de leur concentration. Par analyse des images vidéo, la moyenne des surfaces observées sans fibres (correspondant aux projections des volumes vides de fibres) est calculée pour chaque taux de turbulence et pour différentes concentration de fibres: à fort taux de turbulence, l'écoulement avec les fibres reste homogène tandis qu'à plus faible taux de turbulence, des agrégats de fibres apparaissent. Une analyse théorique s'appuyant sur l'équilibre entre agrégation et fragmentation permet alors de montrer l'existence d'un seuil de transition entre les deux régimes. Ce seuil est fonction entre autres de l'intensité de la turbulence et de la concentration en fibres. Nos expériences permettent alors de valider notre modèle d'agrégation/fragmentation [3].

[1] B. Oyegbile, P. Ay, and S. Narra, Flocculation kinetics and hydrodynamic interactions in natural and engineered flow systems: A review, Env. Eng. Res. 21, 1 (2016).

[2] H. M. De La Rosa Zambrano, G. Verhille, P. Le Gal, Fragmentation of magnetic particle aggregates in turbulence, Phys. Rev. Fluids 3, 084605 (2018).

[3] H. M. De La Rosa Zambrano, Fragmentation des agrégats dans le domaine inertiel de la turbulence, Thèse, Aix Marseille Université (2019).