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Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Bubble columns are commonly used for chemical processes because of their good mixing and transfer capabilities. This work aims at understanding and modelling the mixing of a passive scalar at high Schmidt number in a homogeneous bubbly flow for gas volume fraction ranging from 1 to 13%.

International audience; This paper deals with drop and bubble break-up modelling in turbulent flows. We consider the case where the drop/bubble slip velocity is smaller than or of the order of the turbulent velocity scales, or when the drop/bubble deformation is mainly caused by the turbulent stress (atomisation is not addressed here). The deformation of a drop is caused by continuous interactions with turbulent vortices; the drop responds to these interactions by performing shape-oscillations and breaks up when its deformation reaches a critical value. Following these observations, we use a model of forced oscillator that describes the drop deformation dynamics in the flow to predict its break-up probability. Such a model requires a characterization of the shape- oscillation dynamics of the drop. As this dynamics is theoretically known only under restrictive conditions (without gravity, surfactants), CFD two-phase flow simulations, based on the Level-Set and Ghost Fluid methods, are used to determine the interface dynamics in more complex situations: deformation of a drop in the presence of gravity, bubble-vortex interactions. Results are compared with experimental data. The perspectives to apply this model to breakup in emulsification processes are also discussed.

Nous présentons des résultats expérimentaux sur le mélange d'un constituant passif dans un écoulement traversant un réseau aléatoire de sphères. Un constituant fluorescent de très faible diffusivité moléculaire est injecté depuis un point source dans le réseau (Fig. 1.a) et nous réalisons des mesures par Fluorescence Induite par Laser dans un Plan (PLIF) pour accéder au champ de concentration dans une section de grande extension transversale à l'écoulement, située à différentes positions longitudinales z de l'injecteur. L'écoulement est caractérisé par une fraction volumique des sphères égale à 2%, un nombre de Reynolds $Re$ évoluant dans la gamme 100-1000, un nombre de Schmidt de 2000 et un rapport entre le diamètre de l'injecteur et celui des sphères égal à 0,1. Cette étude permet d'analyser les mécanismes élémentaires qui assurent le mélange dans l'écoulement au travers de ce réseau qui est un modèle pertinent de l'agitation induite dans des nuages de bulles (Amoura, 2008). Quelques résultats importants ont ainsi été obtenus concernant le mélange (Besnaci, 2012). Tout d'abord plusieurs mécanismes distincts spécifiques aux écoulements diphasiques participent au mélange. Aux plus bas nombres de Reynolds, le mécanisme principal qui assure le mélange est l'interaction directe des filets de colorant avec le champ de déformation intense situé au voisinage des bulles. Cette interaction peut donner lieu à des déviations et à des déformations de ces filaments, voire créer des nappes de colorant. A grand Re, l'écoulement est déstabilisé et une agitation turbulente importante est présente dans le réseau. C'est elle qui assure alors essentiellement le transport du constituant. Celui-ci peut également être capturé de façon intermittente dans les sillages attachés des sphères, mais le mélange transversal est maîtrisé par cette agitation turbulente. Aux nombres de Reynolds intermédiaires les deux mécanismes co-existent. La transition entre les deux régimes asymptotiques de mélange apparaît aux alentours de Re=400. Nous avons également montré qu'il est possible d'introduire un coefficient de diffusivité effective constant pour caractériser le mélange transversal à des distances de l'injecteur plus grandes que l'échelle intégrale de longueur de la turbulence. Cette diffusivité suit une loi d'échelle indépendante de Re aux grands nombres de Reynolds (Fig. 1.b). Ce résultat est important pour la modélisation du mélange puisqu'il permet de le traiter en adoptant une loi de type Fick pour les flux turbulents. Le contenu spectral des champs de concentration révèle également que des mécanismes différents interviennent dans la dynamique des structures aléatoires de colorant selon que leur taille est supérieure ou inférieure à celle de l'injecteur. Dans la suite de ce travail nous souhaitons analyser les lois du mélange longitudinal et les effets liés à la taille de l'injecteur.

Ce travail s'intéresse au mélange d'un traceur passif peu diffusif dans un nuage homogène de bulles en ascension dans une cellule Hele-Shaw. Le nombre de Reynolds du mouvement relatif des bulles est élevé. L'écoulement peut être considéré comme bidimensionnel et possède une agitation du liquide très particulière, liée principalement aux sillages des bulles ([1], [2]). Nous avons réalisé des expériences de mélange en injectant un traceur fluorescent au sein du nuage de bulles pendant un temps fini. Une technique de mesure LIF originale et adaptée à cet écoulement à bulles a été développée. Elle consiste à éclairer avec un laser un volume de 0,5 mm³, à différentes distances de l'injecteur, et à observer avec une fibre optique la lumière de ce volume qui est transmise à un spectromètre permettant d'analyser la lumière fluorescée. Il est donc possible de remonter à la concentration locale à une fréquence de 250 Hz (résolution temporelle de la mesure). La figure 1.a montre une évolution typique de la concentration du colorant en un point situé à 150 mm au dessus de l'injection. Dans un premier temps, le traceur arrivant dans le volume de mesure, la concentration augmente, la diminution de concentration qui suit, se fait de manière exponentielle ce qui montre que le mélange en cellule Hele-Shaw n'est pas un processus diffusif de type Fickien [3]. De plus, nous observons à une échelle temporelle beaucoup plus courte des fluctuations de concentration très marquées. Cette intermittence est principalement due aux mécanismes intrinsèques au mélange en cellule de Hele-Shaw. Ce mélange se fait principalement par séquences de capture - transport - largage de colorant par les sillages des bulles (figure 1.b). Un modèle de mélange convectif intermittent a été développé et reproduit bien les expériences.

National audience; De nombreuses applications industrielles mettent en jeu des écoulements à bulles dans des échangeurs de masse et de chaleur ou des réacteurs. Les mouvements des bulles génèrent de l'agitation dans le liquide qui, en retour, influence la distribution spatiale des bulles et leur vitesse. La compréhension générique de ce problème de couplage inverse total est fondamentale mais délicate. Des travaux expérimentaux dédiés dans des configurations d'écoulements bien définies sont donc nécessaires pour atteindre cet objectif. Ce travail explore la dynamique d'un nuage de bulles en ascension à grand nombre de Reynolds dans une cellule de Hele-Shaw ([1]). Cette configuration apporte une contribution à une compréhension générale car elle permet d'étudier l'agitation générée par des bulles à grand nombre de Reynolds possédant des sillages instables tout en empêchant, par les effets de confinement, la production de turbulence. La comparaison avec la dynamique de nuages de bulles non confinés ([2]) est également éclairante. Par ailleurs, la détection des interfaces est considérablement facilitée par le confinement: une description complète et précise de la répartition spatiale et de la dynamique des bulles peut être ici obtenue directement par ombroscopie avec une seule caméra. De même, la mesure par PIV du champ de vitesse du liquide intégré dans l'épaisseur de la cellule permet de caractériser de manière pertinente la dynamique du liquide ([3]) (Fig.1-a). La dynamique des deux phases a ainsi été explorée pour des fractions volumiques de gaz α comprises entre 1% et 14% dans un régime où l'inertie est importante (Re≈500). Les bulles étudiées possèdent un sillage instable avec des lâchers tourbillonnaires réguliers et suivent une trajectoire ascendante oscillante tout en gardant une forme elliptique constante. Le frottement aux parois impose néanmoins une décroissance très forte des sillages ([4]). Les résultats montrent que l'on peut expliquer les statistiques associées au mouvement des bulles dans le nuage à partir de deux mécanismes élémentaires: (i) les oscillations induites par le sillage associées aux lâchers tourbillonnaires et (ii) la forte perturbation de vitesse localisée à l'arrière des bulles. Le mécanisme dominant dans la direction verticale est l'entrainement dans le sillage alors que celui qui régit la dynamique des bulles dans la direction horizontale est associé aux oscillations générées par les sillages dont l'intensité est indépendante de α (Fig.1-b). L'auto-dispersion des bulles a également été étudiée. Elle peut être caractérisée par des coefficients de dispersion qui évoluent linéairement avec α.En ce qui concerne l'agitation dans le liquide, comme en écoulement non confiné, les deux composantes des fluctuations de vitesse évoluent proportionnellement à αn avec ici αn=0.38 et 0.46 dans les directions horizontales et verticales respectivement. Le spectre spatial des fluctuations de vitesse évolue, sur une gamme de nombres d'ondes k bien définie, proportionnellement à k-³. Dans cette configuration où la turbulence ne peut se développer, cette évolution s'explique très clairement par la superposition linéaire de perturbations de vitesses aléatoires ([5]), il s'agit donc d'un effet statistique associé aux passages de perturbations convectées par les bulles.

Nous étudions le mélange d’un traceur passif peu diffusif dans un essaim de bulles homogène en ascension dans une cellule de Hele-Shaw remplie d’eau à grand nombre de Reynolds particulaire. Cet écoulement peut être considéré comme bidimensionnel. L’agitation du liquide, principalement due aux sillages des bulles, possède des propriétés originales (Bouche et al., 2012 ; Roig et al., 2012). Pour effectuer des mesures de concentration résolues en temps, nous avons adapté la technique de Fluorescence Induite par Laser (LIF) à l’investigation des écoulements à bulles. Les mesures de LIF sont faites en un point et couplée à de la spectrométrie. D’un côté de la cellule de Hele-Shaw, un laser éclaire un volume de mesure et permet d’exciter le colorant. De l'autre côté, une fibre optique collecte la lumière et la transmet à un spectromètre qui permet d’isoler la lumière fluorescée et d’en déduire la concentration locale à une cadence de 250 Hz. A une certaine distance de l’injecteur, le signal de concentration mesuré présente d’intenses et rapides fluctuations qui sont la trace du passage de paquets de colorant transportés par les bulles individuellement. Une évolution de la concentration bien plus lente se superpose à ces fluctuations et montre deux phases d’évolution. Dans un premier temps, le niveau de concentration augmente globalement car les bulles transportent du colorant jusqu’au volume de mesure. Puis, comme l’injection se fait pendant un temps fini, une phase de décroissance de la concentration est observée. Cette décroissance est exponentielle et ne peut être compatible avec un modèle diffusif. Néanmoins, elle est compatible avec un modèle de transport de colorant par les sillages moyens des bulles, sillages qui sont fortement écrantés et atténués par le frottement aux parois. De ce fait, le mélange dans un écoulement à bulles en cellule de Hele-Shaw est convectif et intermittent.