Ecoulements diphasiques gaz-liquide lors d'échanges gravitaires

Résumé : 

Lors de l’échange gravitaire au travers d’un orifice entre deux réservoirs contenant séparément un liquide et un gaz, un écoulement diphasique fortement instationnaire et multi-échelle se développe. Dans ce travail expérimental, deux configurations ont été explorées : (i) la vidange d’une bouteille pour des goulots de grand diamètre et (ii) le remplissage d’un cylindre, contenant initialement un gaz et immergé dans un volume de liquide. Dans ces configurations, le couplage entre la compressibilité du volume de gaz et la masse de liquide qui évoluent dans le temps, génère un comportement d’oscillateur. Cette étude analyse et décrit ce comportement ainsi que les mécanismes régissant la population de bulles créée au sein du liquide.

Les expériences ont montré que, pour de larges goulots (d*≥0,8), la vidange s’effectue par propagation d’une bulle de Taylor dont le culot reste attaché au goulot sans que le niveau initial de remplissage ne bouge, l’écoulement de liquide étant confiné dans le film liquide qui entoure la bulle. La vitesse d’ascension de la bulle est alors modulée périodiquement par les entrées – sorties au goulot. Cette typologie de vidange est très différente de celle à faible diamètre d’ouverture qui se déroule par la formation périodique d’essaims de bulles et expulsion de volumes de liquide. Malgré ce changement radical, pour d*≥0,8 les lois d’échelles des temps d’échange et des périodes d’oscillation de l’écoulement, établies par Clanet et al. (2004) pour des diamètres plus petits, sont toujours respectées. Nous avons développé deux modèles permettant de prédire l’amplitude des oscillations de pression et le couplage entre les mouvements de la surface libre et de la bulle de Taylor. Ils sont en accord avec les observations.

Le remplissage d’un cylindre a, quant à lui, un comportement analogue à celui d’un oscillateur de Helmholtz. Les expériences réalisées ont permis d’analyser la succession des phases temporelles de cet écoulement transitoire (entrées d’eau et sorties d’air alternatives durant un remplissage progressif, jet d’eau impactant le fond du cylindre et créant de multiples inclusions gazeuses, jet plongeant qui alimente le milieu diphasique en bulles, disparition du tampon gazeux, ultime phase de décantation pour d*≥0,8). De façon générale, un changement des propriétés de l’écoulement est observé pour d*≥0,8, qui est lié à un changement de régime des entrées et sorties de fluide au niveau du goulot. Nous avons étendu les lois d’échelle des temps caractéristiques données par Héraud (2002) pour d*≤0,6. Les mesures de la période des oscillations montrent que pour une gamme de diamètres plus larges, l’analogie avec un oscillateur de Helmholtz reste valable. Les spectres des signaux de pression ont révélé la présence d’un pic d’énergie à une fréquence plus haute que celle du résonateur, qui est la signature des oscillations en volume des bulles de grande taille formées par le jet plongeant.

Le contenu diphasique de cet écoulement a été analysé à partir d’enregistrements vidéographiques qui donnent en particulier, l’épaisseur de la zone occupée par les bulles quand elle résulte de l’entrainement d’air par le jet plongeant. Un modèle de ce jet a été développé. Sa spécificité principale est de prendre en compte le confinement sous la forme d’un gradient de pression adverse. La confrontation entre mesures expérimentales et prédictions du modèle est satisfaisante pour des valeurs de d* comprises entre 0,3 et 0,6. Pour les cas à plus faible ou plus fort d* la mesure est très imprécise ou le jet plongeant est remplacé par un effondrement en masse du liquide dans le cylindre. Dans un dernier chapitre plus exploratoire des mesures de fraction volumique de gaz, de vitesses et de tailles de bulles par sonde optique locale sont reportées. Elles ouvrent la voie à une discussion de la population de bulles créée par l’écoulement et de son évolution temporelle.

Mots clés : Ecoulement gaz-liquide, Remplissage, Vidange, bulle de Taylor oscillante, Jet plongeant