Étude de l'instabilité d'un panache à bulles et comparaison avec les structures organisées d'un panache à masse volumique variable
Institution:
Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Two-phase flows have growing occurrence in many industrial processes. This PhD thesis aims at understanding the transition process in bubbly flows. In the present study, bubbles are injected in an initially quiescent fluid and generate the so-called bubble plume. Both numerical and experimental investigations are undertaken. The continuous phase flow is obtained by direct numerical simulation of the Navier-Stokes equations forced by the presence of bubbles. Collective effects induced by the presence of bubbles are modeled by a spatio-temporal distribution of momentum. Time evolution of the dispersed phase is solved by a simultaneous Lagrangian tracking of all the bubbles. Simulation results provide the transient development of the plume for various plume widths and fluid viscosities. A characterization of the different stages are proposed (starting plume, laminar regime). Furthermore, our results point out the symmetry breaking induced by bubble plume instability which appears beyond a critical transition height. A collection of data show clearly that the Grashof number based on injection conditions is the key parameter to predict the transition of the plume. Moreover, the present results agree very well with the recent experimental data. Comparison with experiments on thermal plumes in air shows that the bubble plume is more unstable. This feature should be related to the lack of diffusion in the Lagrangian transport of density gradient by the bubble cloud and to the slip velocity existing between the two phases. In order to confirm and extend our numerical results, we set up an experiment to study the transition of micro-bubble plumes. Bubbles are generated via electrolysis of water. Thanks to a video camera and laser sheet, image processing provides information on transient behavior and PIV leads to the instantaneous velocity field induced in the carrier fluid. The preliminary results show a qualitative agreement with the numerical results and quantitative information is expected in the near future.
Abstract FR:
Les écoulements à phase dispersée tiennent un rôle prépondérant dans de nombreux procédés industriels. Cette thèse vise à la compréhension des phénomènes d'instabilité dans des écoulements à bulles. La configuration choisie consiste en l'injection localisée de bulles de gaz dans un fluide initialement au repos. L'approche présentée regroupe une étude numérique et une démarche expérimentale. L'utilisation d'un code de simulation basé sur une approche Euléro-Lagrangienne à couplage inverse permet de respecter le caractère dispersé de l'écoulement et prendre en compte les effets collectifs induits dans le fluide porteur par la présence d'inclusions. Le mouvement de la phase continue est donné par la simulation des équations de Navier-Stokes forcées par un terme-source modélisant l'échange de quantité de mouvement entre les deux phases. Parallèlement, l'application du principe fondamental de la dynamique à chaque bulle permet le suivi individuel de leur trajectoire. L'étude numérique du panache à bulles a permis de caractériser les différents régimes de son développement (phase démarrage, écoulement laminaire) et a mis en évidence le processus de transition progressive à la turbulence suivant un mode sinueux. Les résultats montrent que le paramètre contrôlant cette instabilité est le nombre de Grashof.