Propagation d'une onde de choc dans un liquide aéré : modélisation et application aux rideaux de bulles

Propagation of shock waves in bubbly liquids : modelling and application to the bubble curtain problem

• Auteur / Autrice : Hervé Grandjean
• Direction : Stéphane Zaleski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique des matériaux, des structures et des fluides
• Date : Soutenance le 24/10/2012
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire brestois de mécanique et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : établissement d'accueil : École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne (Brest ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Kharif
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Kharif, Daniel Fuster, Guillaume Roullet, Michel Arrigoni, Nicolas Georges Marcel Jacques
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sergey Gavrilyuk, Éric Climent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de choc

Bulles -- Dynamique

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Fluides diphasiques

Dynamique de bulle

Ondes de choc

Multiphase flows

Bubble dynamics

Shock waves

Résumé

L'objectif de ces travaux est de déterminer l'atténuation des effets d'une explosion sous-marine par un rideau de bulles. Dans ce cadre, une modélisation de la propagation d'un chocdans les liquides à bulles a été développée, basée sur une technique de transition d'échelles.Cette méthode permet la formulation de modèles continus de liquides aérés, dont la mise enoeuvre est aisée et rapide. Nous avons d'abord développé une modélisation pour des liquidesdiphasiques au sein desquels les bulles sont régulièrement réparties dans l'espace, avant deproposer une extension de ce modèle au cas des liquides à bulles présentant des hétérogénéitésde porosité sous la forme d'amas sphériques de bulles. Un modèle de fragmentation des bulleslors du passage du choc a également été développé, basé sur une analyse linéaire de stabilitédes bulles. L'étude a permis d'établir un critère prédictif de fission et de déterminer le nombrede fragments associés. L'ensemble des modélisations proposées a fait l'objet de comparaisonsavec des résultats expérimentaux issus de la littérature. La concordance entre résultats d'essaiset résultats issus de la modélisation démontre les capacités prédictives de l'approche proposée.Cette modélisation a enfin été appliquée au cas de rideaux de bulles soumis à une explosionsous-marine. Une étude de sensibilité sur les paramètres physiques du rideau a été menée, eta permis de confirmer les tendances expérimentales : sous certaines conditions, la dispositiond'un rideau de bulles sous l'eau permet de diminuer de façon très conséquente l'énergie duchoc transmis en aval du rideau.

The present work deals with the modelling of shock wave propagation in bubbly liquids, inorder to assess the damping of underwater explosion by bubble curtains. The modelling is basedon a scale transition technique, which allows to formulate efficient continuum models of bubblyliquids. A modelling of homogeneous bubbly liquids has first been proposed, then extended tothe case of liquids with spherical bubble clusters. A modelling of bubble fragmentation duringshock propagation has also been developed, based on a stability analysis of the bubbles. Thisstudy enables us to establish a criterion for bubble fission and to determine the numberof fragments. The accuracy of the proposed models has been assessed through comparisonwith experimental data of the literature. The agreement between numerical and experimentalresults proves the predictive capabilities of the whole approach. The modelling has then beenapplied to the mitigation of UNDEX-induced shock wave by bubble curtain. A sensitive studyabout physical parameters of the curtain has been performed, and confirms the experimentaltendencies : the use of a bubble curtain can dissipate a significant part of the shock energy.