Contributions expérimentales sur la dynamique instationnaire de bulles de Taylor, Experimental contributions on the unsteady dynamics of Taylor bubbles

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Sous la direction de Mohamed Souhar, Ophélie Caballina
Thèse soutenue le 26 mars 2010: INPL
Cette étude porte sur la dynamique instationnaire d'une bulle de Taylor dans un tube vertical en repère oscillant. L'objectif est de réaliser une étude expérimentale quantitative plus détaillée de cet écoulement instationnaire, très peu abordé dans la littérature. Les résultats expérimentaux sont obtenus pour des grands nombres de Reynolds pour comprendre les effets d'inertie. Deux configurations différentes sont étudiées : 1) tubes avec deux diamètres internes différents (9,8 mm et 20 mm) remplis d'eau, 2) le tube de diamètre D=9,8 mm rempli de quatre fluides peu visqueux. Le nombre de Bond Bo, basé sur la vitesse ascendante en cas stagnant, varie alors entre 13 et 57, où les effets de la tension superficielle peuvent être pris en compte. La bulle est suivie à l'aide d'une caméra rapide. les vitesses moyenne et fluctuante et le déphasage avec le plateau oscillant sont obtenus par traitement d'images et traitement numérique des données. Les résultats principaux montrent que pour les faibles accélérations la vitesse moyenne diminue et la vitesse fluctuante augmente lorsque l'accélération relative augmente. Au delà d'une accélération critique, la vitesse moyenne augmente et l'augmentation de la vitesse fluctuante semble ralentir. Ce changement de comportement semble être lié à la déformation de l'interface (courbure modifiée, ondes de surface) qui devient significative aux accélérations élevées. De plus, les comparaisons avec les résultats numériques obtenus en négligeant les effets capillaires sont effectuées. Des corrélations permettant de calculer les vitesses moyenne et fluctuante sont proposées. L'évolution temporelle de rayon de courbure au voisinage du nez de la poche est également étudiée pour les différentes accélérations et les résultats sont comparés avec le cas stagnant. Pour les accélérations élevées, la formation et la propagation des ondes oscillantes qui affectent la dynamique de l'écoulement sont quantifiées
-Bulle de Taylor
-Dynamique instationnaire
-Plateau oscillant
-Déformation de l'interface
-Ondes de surface
The present work deals with the motion of a Taylor bubble rising through vertical oscillating pipes. The aim is to perform a more detailed and experimental quantitative study of this unsteady flow, still seldom addressed in the literature. The investigation is restricted to high Reynolds numbers to understand inertia effects. Experimental results are provided for two different configurations : 1) pipes with two different inner diameters (9.8 mm and 20 mm) filled with water, 2) the thinner pipe (D=9.8 mm) filled with four low viscous fluids. So the Bond number Bo, based on the steady rise velocity varies from 13 to 57, where the effects of surface tension can be considered. The bubble trajectory is tracked by using a high-speed video camera. The average terminal and fluctuating velocity, as well as the phase shift with the oscillating plate are obtained by using image processing. The main results show that for weak acceleration, the mean velocity decreases with the relative acceleration as the fluctuating velocity increases in proportion to this acceleration. Beyond a critical relative acceleration, the average velocity increases and the fluctuating velocity increase seems to slow down. This behavior change seems to be related to the interface deformation (modified curvature, surface waves) which becomes significant in high accelerations. Additionally, comparisons are made with the numerical results obtained by neglecting the capillary effects. Correlations allowing the prediction of mean and fluctuating velocities depending on the Bond number and relative acceleration are proposed and compared with our experimental results. The time evolution of the radii of curvature in the vicinity of the bubble nose is also studied for different relative accelerations and the results are compared with the stagnant case. In high accelerations, the formation and propagation of surface waves which may influence the bubble dynamics are quantified
-Taylor bubble
-Surface waves
-Interface deformation
-Unsteady dynamics
-Oscillating frame
Source: http://www.theses.fr/2010INPL009N/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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Nombre de pages : 231
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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
´ECOLE DOCTORALE : EMMA
Laboratoire d’Energetique et de Mecanique Theorique et Appliquee (LEMTA)
`THESE
Presentee et soutenue publiquement le 26 Mars 2010
pour l’obtention du grade de Docteur de l’INPL
(Specialite : MECANIQUE ENERGETIQUE)
par
SeyedehSara MADANI
Contributionsexpérimentalessurla
dynamiqueinstationnairedebullesde
Taylor
Directeur de th`ese : Pr. Mohamed Souhar LEMTA - ENSEM - INPL Nancy
Co-directrice de th`ese : Dr. Oph´elie Caballina LEMTA - ENSEM - INPL Nancy
President du jur: y Olivier Sero-Guillaume, DR CNRS LEMTA - ENSEM - INPL Nancy
Rapporteurs : Michel Lance, PR LMFA, EC Lyon
Abdelhak Ambari, PR EMT/ LPMI, ENSAM Angers
Examinateurs : Hassan Peerhossaini, PR LTN, Universite de Nantes
Mohamed Souhar, PR LEMTA - ENSEM - INPL Nancy
Oph´elie Caballina, MCF LEMTA - ENSEM - INPL Nancy´CONTRIBUTIONS EXPERIMENTALES SUR LA
DYNAMIQUE INSTATIONNAIRE DE BULLES DE
TAYLOR
Experimental contributions on the unsteady dynamics
of Taylor bubbles
Seyedeh Sara MADANI
Universit´e de NancySeyedeh Sara MADANI
Contributions experimentales sur la dynamique instationnaire de
bulles de Taylor
xix+R´esum´e
Cette ´etude porte sur la dynamique instationnaire d’une bulle de Taylor dans un tube vertical en rep`ere
oscillant. L’objectif est de r´ealiser une ´etude exp´erimentale quantitative plus d´etaill´ee de cet ´ecoulement
instationnaire, tr`es peu abord´e dans la litt´erature. Les r´esultats exp´erimentaux sont obtenus pour des
grands nombres de Reynolds pour comprendre les effets d’inertie. Deux configurations diff´erentes sont
´etudi´ees:1)tubesavecdeuxdiam`etresinternesdiff´erents(9,8mmet20mm)remplisd’eau,2)letubede
diam`etre D =9,8 mm rempli de quatre fluides peu visqueux. Le nombre de Bond Bo, bas´e sur la vitesse
ascendante en cas stagnant, varie alors entre 13 et 57, ou` les effets de la tension superficielle peuventˆetre
pris en compte. La bulle est suivie `a l’aide d’une cam´era rapide. les vitesses moyenne et fluctuante et le
d´ephasage avec le plateau oscillant sont obtenus par traitement d’images et traitement num´erique des
donn´ees. Les r´esultats principaux montrent que pour les faibles acc´el´erations la vitesse moyenne diminue
et la vitesse fluctuante augmente lorsque l’acc´el´eration relative augmente. Au dela` d’une acc´el´eration
critique, la vitesse moyenne augmente et l’augmentation de la vitesse fluctuante semble ralentir. Ce
changement de comportement semble ˆetre li´e `a la d´eformation de l’interface (courbure modifi´ee, ondes
de surface) qui devient significative aux acc´el´erations´elev´ees. De plus, les comparaisons avec les r´esultats
num´eriques obtenus en n´egligeant les effets capillaires sont effectu´ees. Des corr´elations permettant de
calculer les vitesses moyenne et fluctuante sont propos´ees. L’´evolution temporelle de rayon de courbure
au voisinage du nez de la poche est ´egalement ´etudi´ee pour les diff´erentes acc´el´erations et les r´esultats
sont compar´es avec le cas stagnant. Pour les acc´el´erations ´elev´ees, la formation et la propagation des
ondes oscillantes qui affectent la dynamique de l’´ecoulement sont quantifi´ees.
Mots-cl´es : Bulle de Taylor, dynamique instationnaire, plateau oscillant, d´eformation de l’interface,
ondes de surface
Abstract
The present work deals with the motion of a Taylor bubble rising through vertical oscillating pipes. The
aim is to perform a more detailed and experimental quantitative study of this unsteady flow, still seldom
addressed in the literature. The investigation is restricted to high Reynolds numbers to understand
inertia effects. Experimental results are provided for two different configurations : 1) pipes with two
different inner diameters (9.8 mm and 20 mm) filled with water, 2) the thinner pipe ( D = 9.8 mm)
filled with four low viscous fluids. So the Bond number Bo, based on the steady rise velocity varies from
13 to 57, where the effects of surface tension can be considered. The bubble trajectory is tracked by
using a high-speed video camera. The average terminal and fluctuating velocity, as well as the phase
shift with the oscillating plate are obtained by using image processing. The main results show that for
weak acceleration, the mean velocity decreases with the relative acceleration as the fluctuating velocity
increases in proportion to this acceleration. Beyond a critical relative acceleration, the average velocity
increases and the fluctuating velocity increase seems to slow down. This behavior change seems to be
relatedtotheinterfacedeformation(modifiedcurvature,surfacewaves)whichbecomessignificantinhigh
accelerations. Additionally, comparisons are made with the numerical results obtained by neglecting the
capillary effects. Correlations allowing the prediction of mean and fluctuating velocities depending on
the Bond number and relative acceleration are proposed and compared with our experimental results.
The time evolution of the radii of curvature in the vicinity of the bubble nose is also studied for different
relative accelerations and the results are compared with the stagnant case. In high accelerations, the
formation and propagation of surface waves which may influence the bubble dynamics are quantified.
Keywords: Taylor bubble , unsteady dynamics, oscillating frame, interface deformation, surface wavesRemerciements
En tout premier lieu, je remercie chaleureusement mes directeurs de th`ese Mohamed Souhar
et Oph´elie Caballina pour leurs grandes comp´etences scientifiques, leur soutien, mais aussi pour
la confiance, l’autonomie et la libert´e qu’ils m’ont accord´ees dans la conduite de mes recherches.
Je leur dois beaucoup dans la r´eussite de ce travail.
J’adresse mes remerciements `a M. Sero-Guillaume, Directeur de recherche `a l’ENSEM qui a
bien voulu me faire l’honneur de pr´esider mon jury de th`ese.
´Je suis sensible `a l’int´erˆet que M. Lance, Professeur `a l’Ecole Centrale de Lyon et M. Ambari,
Professeur `a l’ENSAM d’Angers ont manifest´e pour mon travail de recherche et leur suis recon-
naissante d’avoir jug´e ce travail en qualit´e de rapporteur.
Enfin, je remercie M. Peerhossaini, Professeur `a l’Universit´e de Nantes, pour l’honneur qu’il m’a
fait en acceptant la participation `a mon jury de th`ese.
De mˆeme, je tiens `a exprimer ma sympathie `a l’ensemble des techniciens, ing´enieurs et se-
cr´etaires du laboratoire pour leur amabilit´e. Je ne saurais oublier mes amis doctorants ou jeunes
docteurs avec qui j’ai v´ecu au quotidien de bons moments, en particulier Ali, Wassim, Anahita,
Ghania, Mojdeh, Benoˆıt et tous les autres th´esards que j’aiotcˆ oy´es.
Ce travail n’aurait pas ´et´e possible sans le d´evouement, la patience et les encouragements
continus de Afshin, mon ´epoux, qui a su supporter avec tendresse mes instants d’effervescence.
Je lui dois aussi la r´ealisation et la mise en forme de ce m´emoire. Enfin, merci `a mes parents
pour leur amour, leur soutien et leur aide durant toutes mes ann´ees d’´etude. Je n’aurais pas pu
r´eussir sans vous.Sommaire
Nomenclature..................................................................ix
Introduction g´en´erale...........................................................1
´1 Etat de l’art.................................................................5
2 Dynamique instationnaire des bulles de Taylor dans les tubes verticaux : note
sur les approches pr´ec´edentes. .............................................. 37
3 Dispositif exp´erimental et techniques de mesure.............................49
4 Dynamique instationnaire de la bulle de Taylor ............................. 67
5 Analyse du comportement interfacial d’une bulle de Taylor dans un tube
vertical oscillant...........................................................101
Conclusion g´en´erale et perspectives...........................................139
Liste des publications de nos travaux ......................................... 145
´A Ecoulement au nez de la bulle ............................................. 149
B Mod`ele de Clanet et al. (2004).............................................157
C M´ethode d’int´egration de Runge-Kutta....................................161
D Tableaux de mesures (chapitre 4)..........................................167
E Tableaux de mesures (chapitre 5)..........................................173
Liste des tableaux............................................................197
Table des figures..............................................................199
Bibliographie.................................................................205
Table des mati`eres............................................................207
vii

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