Cisaillement d'une interface gaz-liquide en conduite et entraînement de gouttelettes

par Sylvain Boulesteix

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de François Charru et de Patricia Ern.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Lorsqu'une couche de liquide est cisaillée par un écoulement de gaz plus rapide, des vagues de forte amplitude peuvent alors se former à l'interface et se déplacer à la surface du liquide. Si la vitesse du gaz est suffisante, on peut alors observer que de très nombreuses gouttelettes sont arrachées du sommet de ces vagues. Cette configuration se rencontre notamment dans l'industrie pétrolière, où elle est à l'origine d'une augmentation des pertes de charge dans les pipelines. Un dispositif expérimental a donc été conçu pour l'étude de ces phénomènes, dans le cas d'un écoulement eau-air dans une conduite horizontale de 5cm de diamètre. Des observations à l'aide d'une caméra rapide (6000 images/seconde) nous ont alors permis d'identifier les différents modes par lesquels les gouttes sont entraînées, et de les comparer à la littérature. Le développement de procédures complexes de traitement d'images numériques pour la détection et le suivi des gouttes nous ont également permis de mesurer les tailles, vitesses (axiales et verticales), concentrations et flux massiques des gouttes entraînées pour différentes conditions expérimentales. Une étude statistique de ces différentes quantités a ensuite été menée afin d'étudier le comportement des gouttes, notamment la manière dont elles sont transportées par le gaz environnant. Un modèle permettant de déduire la distribution des tailles de gouttes à partir de celle de leurs vitesses axiales a ainsi pu être proposé. Enfin, grâce à ces mesures, il a été montré que la perte de charge pouvait être obtenue à partir des équations-bilan de masse et de quantité de mouvement des deux phases. Diverses relations ont également été proposées, permettant de très bien prédire le gradient de pression dans notre dispositif expérimental. Bien que celles-ci soient essentiellement semi-empiriques, elles constituent un premier pas vers une modélisation plus phénoménologique du phénomène.

  • Titre traduit

    Shear of gas-liquid interfaces in pipes and droplets entrainment


  • Résumé

    When a liquid layer is sheared by a faster gas stream, large-amplitude waves can appear at the interface and travel along the liquid interface. If the gas velocity is large enough, numerous droplets can then be observed to be torn off from the top of the waves. Among others, this configuration can be found in oil industry, where it can lead to an increase of the pressure gradient. We have build an experimental set-up to study these phenomena, for an air-water flow in a 5 cm in diameter horizontal pipe. Visualizations by means of a high-speed camera (6000 fps) then allowed us to identify the different atomization modes for the droplets and to compare them with literature description. We developed complex Digital Image Processing routines for the detection and the tracking of entrained drops. This allowed us to measure their sizes, axial and vertical velocities, concentration and mass flux for different experimental regimes. A statistical investigation of these properties was led in order to study the behavior of drops, and especially they way they are carried on by the gas phase. A simple model allowing to deduce drop sizes pdf from axial velocities pdf was then proposed. Thanks to measurements, we also shown that the pressure gradient in the pipe could be fairly well deduced using mass and momentum balance for both phases. We then proposed different relations allowing to predict correctly this gradient in our experiment, when only gas and liquid injection flow-rates are known. Though these relations are still essentially semi-empirical, it is believed that they represent a first step toward a more phenomenological modeling of these phenomena.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (239 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 229-239

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2010TOU30083
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