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Accueil > Publications du laboratoire > Thèses et HDR > Thèses et HDR 2012 > Simulation numérique directe des oscillations, de la déformation et de la rupture d’une bulle en ascension dans un écoulement instationnaire.

Simulation numérique directe des oscillations, de la déformation et de la rupture d’une bulle en ascension dans un écoulement instationnaire.

28 janvier 2013

Résumé :

Dans les écoulements à bulles, fréquemment rencontrés dans les procédés industriels (génie pétrolier, réacteurs chimiques ), la taille des inclusions joue un rôle prépondérant puisqu’elle conditionne les phénomènes de transfert entre les phases. Dans le but de modéliser la déformation des bulles et d’être capable de prédire les taux de rupture, il faut à la fois tenir compte de la dynamique de l’écoulement turbulent externe et de celle de l’interface qui répond aux sollicitations instationnaires de la phase continue. Dans des cas sans pesanteur, la théorie linéaire des oscillations de forme permet de décrire la dynamique de l’interface. Cette dernière implique des modes propres, caractérisés par une fréquence naturelle et un taux d’amortissement. En revanche, en présence de pesanteur, il existe peu de travaux s’attachant à décrire la dynamique interfaciale.

Nous avons utilisé la simulation numérique et le code DIVA, qui repose sur des méthodes de type Level-Set et Ghost Fluid permettant de capturer l’interface sur un maillage fixe et de gérer numériquement les discontinuités liées au caractère diphasique de l’écoulement.

Dans un premier temps, nous avons étudié le problème des oscillations de forme linéaires d’une bulle puis d’une goutte, toutes deux en ascension dans un liquide, dans des conditions où les échelles de temps de l’ascension et de l’oscillation sont comparables. Nous avons montré que le couplage entre oscillations de forme et ascension est différent pour une goutte et pour une bulle. Nous avons regardé précisément comment évoluent fréquence et amortissement des oscillations avec l’ascension en extrayant les paramètres pertinents. Les résultats ont été mis en relation avec les mécanismes de dissipation de l’énergie. Nous avons également confronté nos simulations avec des expériences d’oscillations de forme d’une goutte d’heptane puis d’une bulle en ascension dans de l’eau.

Dans un deuxième temps, nous avons réalisé des simulations numériques tridimensionnelles de l’interaction entre une bulle en ascension et un tourbillon descendant. Cette configuration met en jeu de grandes déformations des bulles. Nous les avons étudiées en décomposant leur forme en harmoniques sphériques 3D, et nous avons regardé l’influence de la vitesse d’ascension des bulles et de l’intensité du tourbillon qui cause leurs déformations. Les résultats ont ensuite été confrontés à ceux d’une étude expérimentale antérieure afin de voir si nous retrouvons les caractéristiques principales des grandes déformations d’une bulle en ascension dans un écoulement turbulent bien plus complexe.

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