Instabilités et piégeage de bulles dans des fluides complexes

par Raphael Poryles

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Valérie, Isabelle, Jeanne Vidal.

Soutenue le 18-07-2017

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec École normale supérieure de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de physique (Lyon) (laboratoire) .


  • Résumé

    Nous avons étudié expérimentalement la dynamique de remontée de bulles dans des fluides complexes, allant de solutions de polymère à des milieux granulaires immergés, dans le cas d'une géométrie confinée (cellule de Hele-Shaw). Dans un premier temps, nous avons considéré la remontée d'une bulle unique dans une solution de polymère confinée. Le fluide choisi (PEO) est viscoélastique et rhéofluidifiant. Au-delà d'un volume critique, nous avons mis en évidence et caractérisé deux types d'instabilités : la bulle est défléchie de sa trajectoire verticale, ou se fragmente. L'extension de cette expérience au cas de l'injection continue d'air en base de la cellule a permis de quantifier la dynamique couplée entre les bulles et en particulier leur coalescence, qui dépend fortement du débit d'injection. Dans un deuxième temps, nous avons considéré le cas d'un milieu granulaire immergé : un lit de grains à surface libre, dans lequel de l'air est injecté à débit constant par un unique point d'injection en base de la cellule. En régime stationnaire, la mise en mouvement des grains par le passage répété de l'air conduit à la formation d'une zone fluide. Nous avons quantifié la dynamique des bulles dans cette zone et montré que même en variant la taille des grains et le débit de gaz, la fraction de gaz piégée dans la zone fluide reste constante. Enfin, nous avons considéré l'influence d'un obstacle fixe sur la dynamique du canal d'air central. Un diagramme des régimes est établi en fonction de la taille et de la hauteur de l'obstacle : soit le canal est stabilisé par l'obstacle, soit il est instable et explore de manière intermittente l'un ou l'autre côté de l'obstacle.

  • Titre traduit

    Instabilities and trapping of bubbles in complex fluids


  • Résumé

    We have studied experimentally the dynamics of bubbles rising in complex fluids, from polymer solutions to immersed granular media, in a confined geometry (Hele-Shaw cell). In a first part, we considered the rise of a single bubble in a confined polymer solution. The fluid (PEO) is viscoelastic and shear-thinning. Above a critical volume, we have observed and characterized two types of instabilities : the bubble is deflected from its vertical trajectory, or fragments. The extension of this experiment to continuous air injection at of the cell bottom made it possible to quantify the coupled dynamics between bubbles and in particular their coalescence, which is highly dependent on the injection rate. In a second part, we considered the case of a immersed granular medium, in which air is injected at constant flow rate through a single nozzle at the cell bottom. In the steady state, the movement of the grains generated by the successive air pathways leads to the formation of a fluidized zone. We quantified the bubble dynamics in this zone and showed that even when varying the grains size and gas flow rate, the fraction of gas trapped in the fluidized zone remains constant. Finally, we considered the influence of a fixed obstacle on the dynamics of the central air channel. A phase diagram is established depending on the size and height of the obstacle: either the channel is stabilized by the obstacle, or it is unstable and intermittently explores each side of the obstacle.


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