Hydrodynamique et transfert de masse autour d'une bulle confinée entre deux plaques

Hydrodynamics and mass transfer for a bubble confined between two plates

• Auteur / Autrice : Matthieu Roudet
• Direction : Anne-Marie Billet, Véronique Roig
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Chimie physique et théorique

Transfert de masse

Hydrodynamique

Résumé

"Ce travail de recherche est consacré à l'étude expérimentale de la dynamique d'une bulle isolée "bidimensionnelle", ainsi qu'à celle du transfert de masse de cette bulle vers la phase liquide pour le couple de fluides eau-oxygène. L'aspect bidimensionnel des bulles vient du fait qu'elles sont confinées entre 2 plaques. La gamme de nombres adimensionnels que nous avons balayée dans notre étude a été peu étudiée pour ce genre de dispositif. Dans cette étude, les effets inertiels liés à la perturbation de vitesse provoquée par le passage de la bulle ne sont pas négligeables devant le frottement aux parois. L'étude de l'hydrodynamique de la bulle est réalisée grâce à l'utilisation de techniques de mesure optique : ombroscopie et vélocimétrie par image laser (PIV). En raison de la géométrie 2D de la cellule, un éclairage en volume du champ d'investigation est réalisé pour les mesures PIV. Il est montré que la PIV mesure la vitesse moyenne du liquide dans l'épaisseur entre les plaques, lors du passage d'une bulle. Les mesures par ombroscopie permettent d'étudier la trajectoire et la forme de la bulle au cours du temps pour une large gamme de nombres de Reynolds (50-6000). On montre que la vitesse moyenne des bulles vérifie la loi d'échelle U = 0. 5√gd compatible avec une interface non contaminée. D'autre part, l'étude de l'instabilité du mouvement et de la forme permet d'identifier différents régimes d'écoulement et notamment de montrer que la forme moyenne des bulles et la structure du sillage sont essentiels pour comprendre l'évolution des oscillations. De plus, les champs de vitesse issus de la PIV donnent l'évolution du sillage à l'arrière de la bulle en fonction du nombre d'Archimède et mettent en évidence deux structures clairement différentes, suivant que les bulles sont des calottes avec une trajectoire rectiligne, ou des ellipsoïdes qui oscillent. Ils montrent également que, quelque soit le nombre de Reynolds, le sillage décroît rapidement à cause du confinement. L'étude du transfert de l'oxygène, contenu dans la bulle, vers le liquide, est réalisée au moyen de la technique de fluorescence induite par nappe laser (PLIF), avec inhibition de la fluorescence par l'oxygène dissous, et avec un éclairage en volume de la cellule. L'analyse des images de fluorescence permet de distinguer le transfert de matière issu de deux régions de l'interface de la bulle : la surface en contact avec les films liquides entre la bulle et les plaques, et la surface périphérique de la bulle. Le transfert de masse par les films se faisant dans un espace mince et proche des parois, l'oxygène n'est pas réparti de manière uniforme dans l'épaisseur aux temps courts après le passage de la bulle. La non linéarité du signal de fluorescence avec la concentration en oxygène implique de prendre en compte la répartition de l'oxygène entre les plaques. Un modèle de répartition de l'oxygène entre les plaques est proposé, et confronté à des mesures de concentration entre les plaques après diffusion ; cette démarche permet de déterminer la contribution relative des deux surfaces au transfert. Les flux de matière ainsi que les densités de flux issus de chacune des deux régions de la surface de la bulle sont calculés et discutés. "

This work reports an experimental investigation dedicated to hydrodynamics and mass transfer for an isolated bubble confined between two plates separated by a distance smaller than bubble diameter. In a large range of bubble Reynolds numbers (50-6000), the path and shape oscillations have been studied by means of the shadowgraph technique, and the fluid velocity has been measured by Particle Image Velocimetry. Different flow regimes have been identified, and it appears that the mean bubble shape and the wake structure are key parameters of the shape and path oscillation phenomena. The oxygen transfer from an oxygen bubble to the liquid was studied by means of the Planar Laser Induced Fluorescence technique. The results emphasize the contribution to the oxygen transfer of two interface areas : the surface in contact with the liquid films laying between bubble and plates, and the lateral surface of the bubble.