Approche multiéchelle de la dynamique des bulles en fluide non newtonien

Multiscale approach of bubble dynamics in non newtonian fluid

• Auteur / Autrice : Xavier Frank
• Direction : Huai Zhi Li
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Bulles

Dynamique des fluides

Fluides non newtoniens

Mots clés libres

Colonne à bulles

Lattice Boltzmann

Chaos

Polymères

Multiéchelle

Interactions viscoélastiques

Résumé

L'hydrodynamique d'une colonne à bulles dont la phase liquide est non newtonienne est une problématique extrêmement complexe, y compris lorsqu'on se limite au cas d'un seul train de bulles. Interactions à longue portée via effets de mémoire au sein du fluide et coalescences entre bulles induisent une dynamique chaotique. Afin de modéliser la colonne à bulles en tant que système complexe dans son ensemble et de prédire ses propriétés globales, une approche multiéchelle a été mise en oeuvre. Trois échelles; microscopique, mésoscopique et macroscopique, interviennent, la prédiction des processus à chaque échelle, reposant sur la compréhension de tous les phénomènes physiques mis en jeu, apporte des éléments de modélisation pour l'échelle supérieure. Ainsi, le champ de vitesse, la forme des bulles et le champ de contrainte viscoélastique qui les entoure ont été prédits par l'approche Lattice Boltzmann, avec un bon accord avec l'expérience. Ces résultats fondent les hypothèses d'un modèle dynamique mésoéchelle reliant la vitesse d'ascension des bulles à la contrainte rencontrée localement, validé par les données expérimentales dans le cas d'un train de bulles périodique. Les propriétés macroscopiques sont prédites au moyen d'un modèle dit ''cognitif'', inspiré des systèmes multi agents, reposant sur le modèle mésoéchelle et des règles booléennes de comportement. Ainsi, en fonction de la hauteur dans la colonne, nombre de bulles, distributions de taille de bulles, transition vers le chaos et diamètre moyen de bulles sont calculés en bon accord avec l'expérience.

The hydrodynamics in a bubble column with non Newtonian fluids is a very complex problem. It is so even when the study is restricted to the case of a single bubble chain. Fluid's memory of long range, that governs bubbles' interactions and coalescences, leads usually to chaotic dynamics. A multiscale modelling approach has been realised to reach a convenient description of the complex system and to predict its global properties. Three different scales were considered: microscale, mesoscale and macroscale. Modelling results obtained at a scale are used as input to build the model of higher scale. Ln such a way, Lattice Boltzmann (LB) simulation allows the computation of flow field, bubble shape and viscoelastic stress field, all in good agreement with experiments. A mesoscale model that takes into account the relationship between the bubble rise velocity and local stress encountered by the bubble is deduced from the LB approach. Finally, the cognitive model, that stems from the mesoscale results, gives the prediction of several macroscale properties in function of the column height: bubble number, bubble class distribution, route to chaos and mean bubble diameter. This pluridisciplinary theoretical modelling compares successfully with experimental data.