Étude numérique et expérimentale de l'interaction d'une bulle avec une paroi inclinée

Experimental and numerical study of the interaction of a bubble with an inclined wall

• Auteur / Autrice : Christophe Barbosa
• Direction : Dominique Legendre, Jose Roberto Zenit Camacho
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Soutenance le 07/12/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT en cotutelle avec Universidad nacional autónoma (Mexico)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Guiraud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Legendre, Jose Roberto Zenit Camacho, Franck Pigeonneau, Benoît Haut, Alfredo Soldati
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Pigeonneau, Benoît Haut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Simulation par ordinateur

Reynolds, Nombre de

Mots clés libres

Bulle

Paroi

Inclinaison

Glissement

Rebond

Coefficient de restitution

Sillage

Bubble

Wall

Inclination

Sliding

Bouncing

Coefficient of restitution

Wake

Résumé

Cette thèse a pour objet l’étude de l’interaction d’une bulle à grand nombre de Reynolds et nombre de Weber moyen avec une paroi inclinée. Pour une combinaison bulle-liquide donnée, une augmentation de l’angle d’inclinaison de la paroi entraîne une transition de régime de mouvement de la bulle qui passe d’un régime de glissement à la paroi à un régime de rebonds périodiques. Un dispositif expérimental a été conçu et construit afin de produire la collision entre une bulle en condition d’ascension terminale et une paroi inclinée, l’angle d’inclinaison variant entre 5 et 80. Des campagnes de mesures ont été menées en utilisant de nombreux liquides et diamètres de bulles. La forme de la bulle de même que sa position ont été enregistrées, durant chaque expérience, avec une caméra rapide alors que le comportement du sillage a été observé grâce à la technique de Particule Image Vélocimétrie (PIV) à haute fréquence. En outre, le processus d’interaction a également été reproduit par simulation numérique. En utilisant l’équilibre des forces qui caractérise le mouvement de glissement à la paroi de la bulle, prenant en compte la nature visqueuse ou inertielle de la force de frottement, les mouvements de glissement à la paroi et de rebonds périodiques sont bien décrits et sont validés par les résultats expérimentaux. Le régime de glissement inertiel ainsi que le régime de rebond à la paroi sont associés à un nombre de Froude tangentiel constant. En ce qui concerne le régime de glissement visqueux, l’évolution du coefficient de frottement est reproduit de manière satisfaisante en prenant en compte les effets additifs de la présence d’un mur sur les écoulements potentiels et de la production de vorticité au niveau de la paroi. À partir de ce même équilibre des forces mais projeté suivant l’axe normal à la paroi, un ensemble de relations a été établi pour représenter la transition du régime de glissement à la paroi au régime de rebonds. La force de portance induite par les effets du sillage demeure d’importance majeure pour le critère de transition. Les différentes phases qui caractérisent la collision entre la bulle et la paroi inclinée sont analysées. Des modèles pour le coefficient de restitution normal et le coefficient de restitution tangentiel sont proposés et validés numériquement. Les simulations numériques reproduisent, entre autres, les différents aspects de la physique de l’interaction.

The objective of the thesis is to study the interaction of a high Reynolds moderate Weber numberbubble with an inclined wall. For a given bubble-liquid combination, an increase of the inclinationangle results in a transition from a steady sliding motion to periodic bounces. An experimentaldevice was designed and built to generate the collision of bubbles in terminal state conditions withan inclined wall, with inclination angles ranging from 5 to 80. Experiments were conductedconsidering different liquid and bubble diameters. The bubble shape and position was recordedusing a high speed camera whereas the wake behavior was captured using a time resolved Particle Image Velocimetry technique. In addition, the interaction process was also studied using anumerical code. Considering a force balance on the sliding bubble, that takes into account theviscous or inertial nature of the drag force, the sliding and bouncing motions were wellcharacterized and validated by the experimental results. The inertial sliding and bouncing motionswere associated to a constant tangential Froude number. As for the viscous sliding motion, the corresponding drag coefficient was satisfactorily modelled through the additive effects of thepotential-flow wall effect and the vorticity production at the wall. Through the same force balance projected along the normal axis, a set of relations were obtained for the transition from sliding tobouncing motions. The wake induced lift force results to be of major importance for the transitioncriteria. The different phases that characterize the oblique collision were analyzed. Accordingly,the initial and final times for the process were chosen. On this basis, models for the normal and tangential coefficient of restitutions were proposed and numerically supported. The numericalsimulations reproduced the different aspect of the bubble inclined wall interaction.