Mélange induit par un écoulement au travers un réseau aléatoire d’obstacles

Mixing induced by a flow through a random array of spheres

• Auteur / Autrice : Cédric Besnaci
• Direction : Véronique Roig, Frédéric Risso
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 17/01/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)

Mots clés

Mots clés libres

Ecoulement à bulles

Mélange

Piv

Plif

Coefficient de diffusion effectif

Bubbly flows

Mixing

Piv

Plif

Effective diffusion coefficient

Résumé

Ce travail s’inscrit dans le cadre de nos recherches sur les écoulements à bulles. C’est l’étude expérimentale du mélange d’un traceur très peu diffusif (fluoresceine dans l’eau) dans l’écoulement instationnaire engendré par le passage d’un écoulement uniforme au travers d’un réseau d’obstacles sphériques (2% de fraction volumique) répartis aléatoirement dans l’espace. Cet écoulement reproduit correctement les caractéristiques de l’agitation dans un essaim de bulles en ascension. La vitesse du fluide est mesurée par PIV de manière assez classique. Le traceur est injecté en amont du réseau et l’´evolution de sa concentration est mesurée par PLIF. L’utilisation de la PLIF pour mesurer des champs de grande extension (15 cm) et avec une grande dynamique d’intensité lumineuse fluorescée constitue une contribution importante de ce travail. Les résultats ainsi obtenus montrent que, à petit nombre de Reynolds, le mélange est régi par les forts gradients de vitesse qui existent dans le voisinage des sphères. A grand nombre de Reynolds, il est maîtrisé par la turbulence qui se développe alors. L’analyse des résultats comporte deux parties principales : (1) une analyse statistique des profils de concentration aboutissant à la détermination d’un coefficient de diffusion effectif et (2) une description de la distribution spectrale des fluctuations de vitesse et de concentration.

This research is a part of our research about bubbly flows. Experiments are performed about mixing of a high Schmidt scalar component (fluorescein in water) by the agitation generated by the flow through a random array of fixed spheres (at high Re and with a volume fraction of solid equal to 2%). This flow mimics for a great part the agitation in the liquid phase of a bubble swarm rising in a liquid otherwise at rest. The velocity of the liquid is estimated from PIV measurements. The scalar is injected through a point source in the array and the evolution of its concentration is estimated by PLIF method. An important part of this research is the measurement of large fields of concentration (15 cm) with a good precision by PLIF. The results show that, at moderate Reynolds number (100), mixing is controled by the steep velocity gradients located near the spheres, while, at large Reynolds number, it is controled by the turbulence that develops. The analysis of the results is composed of two parts : (1) the statistical analysis of the spatial distribution of scalar concentration, and the determination of an effective diffusion coefficient, (2) a spectral analysis of the velocity and concentration fields.