Etude de la dynamique de bulles formées en paroi par injection ou ébullition : effet de la gravité et des forces hydrodynamiques

par Michel, Thomas Lebon

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Catherine Colin et de Julien Sebilleau.

Le président du jury était Lounès Tadrist.

Le jury était composé de Catherine Colin, Julien Sebilleau, Lounès Tadrist, Cees Der Geld, van, Anthony Robinson, Paolo Di Marco.

Les rapporteurs étaient Cees Der Geld, van, Anthony Robinson.


  • Résumé

    La croissance et le détachement des bulles formées sur une paroi par injection ou ébullition sont présents dans de nombreuses situationsindustrielles (les contacteurs gaz/liquide, les évaporateurs ou des dispositifs d’impression à jet d’encre). Dans la plupart des applications, les bulles grossissent dans un écoulement cisaillé ou au repos et la plupart des études visent à prévoir le rayon de détachement par une analyse de l’équilibre des forces. Ainsi, une bonne modélisation des forces capillaires et hydrodynamiques est nécessaire pour prédire correctement le rayonau détachement. Dans un premier temps, la croissance quasi-statique d’une bulle d’air formée sur la paroi d’une cuve et d’un canal rectangulaire est étudiée. Trois substrats différents sont utilisés pour observer l’influence des conditions de mouillage. La dynamique de la croissance de la bulle et le détachement sont alors enregistrés différentes configurations : canal horizontal, canal incliné, avec et sans écoulement liquide. Ensuite,le comportement des bulles de vapeurs en croissance sur une paroi en ébullition en vase et convective est étudié. Les expériences sonteffectuées en gravité terrestre et en microgravité dans un liquide sous-refroidi (HFE 7000) à basse pression (1-2bars). Des bulles de vapeurssont nuclées sur la paroi par l’intermédiaire d’un générateur de bulles. Ce dernier chauffe le liquide environnant au-dessus de sa température de saturation. Les bulles croient sur le site de nucléation dans un écoulement cisaillé et se détachent soit directement soit en glissant le long de la paroi. Une copie de la cellule d’essai appelée RUBI développée par l’ESA est implémentée dans le dispositif expérimental pour effectuer lespremières expériences en microgravité avant son lancement dans la station spatiale ISS. Toutes les acquisitions sont filmées à l’aide d’une caméra rapide et l’extraction du contour de la bulle est réalisée par traitement d’images. Différentes forces agissant sur une bulle sont calculées à partir des paramètres géométriques de la bulle. Un modèle prédictif de détachement de bulles est proposé. Enfin, un bilan thermique diphasique est effectué.

  • Titre traduit

    Study of the dynamics of bubbles growing at a wall by injection or boiling : effect of gravity and hydrodynamic forces


  • Résumé

    The growth and departure of bubbles nucleated on a wall are of particular interest in industrial situations such as gas/liquid contactors in chemicalprocessing, vapor nucleation in evaporators or inkjet printing devices. In most of these industrial applications, the bubbles grow in a shear flow and most studies aim topredict the radius at detachment by a force balance analysis. Thus a good modeling of both the hydrodynamic and capillary forces is needed to predict correctly this radius. First, the quasi-static growth of an air bubble nucleated on the wall of a tank and a rectangular channel is investigated. Three different substrates are used to observe the wettability effect. The dynamics of the bubble growth and detachment is then recorded for different configurations : horizontal channel, inclined channel, with and without a shear flow. Then, behavior of vapor bubbles growing at a wall in pool boiling and flow boiling is investigated. Experiments are performed in normal and microgravity environments with a subcooled test liquid HFE-7000 at low pressure (1-2 bars). Vapor bubbles are nucleated on the wall by a bubble generator that heats the liquid above its saturation temperature. This bubble generator was designed to provide nucleation on an isolated site. These bubbles grow on this nucleation site under an imposed shear flow and depart downstream either along the wall or perpendicularly. A copy of the test cell called RUBI developed by ESA is included in our experiment to perform the first experiments in microgravity before its launch to the ISS. Geometric and kinematic features of the air bubbles and vapor bubblesare measured by processing images obtained by high-speed video recordings. Different forces acting on the bubbles are calculated from these measurements, using a point force approach. The validity of this mechanistic approach to the bubble dynamics is discussed. At last, heat transfer balance is estimated on the bubble.


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