Dynamique de bulles isolées et interactions de bulles multiples dans des suspensions granulaires confinées entre deux plaques

Single bubble dynamics and multiple bubble interactions in granular suspensions confined between two plates

• Auteur / Autrice : Christopher Madec
• Direction : Sylvain Joubaud, John Soundar Jérôme Joseph
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/07/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Barentin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Joubaud, John Soundar Jérôme Joseph, Anne Juel, Bloen Metzger, Hugues Bodiguel, Patricia Ern
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Juel, Bloen Metzger
• DOI : 10.70675/49741f7fzb5d0z4d22za204z67c599e260c0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bulles -- Dynamique

Fluides newtoniens

Cellule de Hele-Shaw

Interaction bulle-bulle

Mots clés libres

Dynamique de bulles

Suspensions granulaires

Cellule de Hele-Shaw

Bubble Dynamics

Granular suspension

Hele-Shaw Cell

Résumé

Les écoulements multiphasiques impliquant des gaz, liquides et particules solides jouent un rôle essentiel dans les réacteurs à lit fluidisés, les dégagements de gaz sous-marins, et même dans les avalanches et les éruptions volcaniques. La remontée de bulles sont des phénomènes fondamentaux pour beaucoup de processus industriels et géophysiques. Dans cette thèse, le problème de la remontée d'une bulle isolée et des interactions de bulles multiples est étudiée dans une cellule de Hele-Shaw contenant une suspension granulaire par le biais d'expériences et de modèles théoriques simples. Dans un liquide Newtonien, il a été montré que la vitesse de remontée v_b d'une bulle isolée de diamètre d_b évoluant entre deux plaques séparées d'une épaisseur h augmente avec d_b jusqu'à une valeur terminale lorsque d_b \gg h, pour des nombres de Reynolds Re = v_bd_b/ u_f(h/d_b)^2 très faibles. Dans le cas d'une suspension granulaire non-Brownienne isodense, nous avons montré que la vitesse de remontée des bulles est plus rapide dans une suspension que dans un liquide pur sans grains de même viscosité effective. En mesurant soigneusement ce surplus de vitesse pour différentes fractions volumiques et par imagerie du champ de vitesses de l'écoulement, cette dynamique est alors reliée à une réduction de la dissipation visqueuse au sein de la cellule. Un bon accord avec nos données expérimentales et des calculs basés sur le Suspension Balance Model illustrent que le mécanisme sous-jacent au déficit du taux de dissipation est lié à une distribution non-uniforme des particules dans la direction perpendiculaire aux plaques de verre en raison de la migration de particules induite par cisaillement. La seconde partie de cette thèse porte sur la dynamique des interactions bulle-bulle et des trains de bulles remontant dans un liquide Newtonien. Lorsque plusieurs bulles interagissent entre elles, elles accélèrent et subissent de forts changements de forme jusqu'à ce qu'elles entrent en contact. En considérant l'influence d'une bulle voisine sur le champ de pression et la réduction de la dissipation visqueuse, il est alors possible de décrire qualitativement la dynamique d'approche. Après contact, le train de bulle formé reste intact et sa dynamique, comparée à la remontée d'une bulle isolée, est plus lente. De plus, des réorganisations spatiales au sein d'un même train sont observées. Ces résultats offrent une voie prometteuse pour étudier les interactions de bulles multiples dans les suspensions granulaires.

Multiphase flow involving gas, liquid, and solid particles plays a vital role in catalytic fluidized beds, subsea gas release, and even in avalanches and volcanic eruptions. Bubble rise and interactions is a fundamental ingredient for many such industrial processes and geophysical phenomena. Here, the canonical problem of the rising motion of a single bubble and bubble-bubble interactions is investigated in a Hele-Shaw cell containing a granular suspension through simple experiments and theoretical models. In a Newtonian liquid, it is shown that the rise velocity v_b of a single bubble of diameter d_b evolving between two plates separated by a thickness h increases with d_b up to a maximum value for d_b \gg h, when the Reynolds number Re = v_bd_b/ u_f(h/d_b)^2 is very small. In the case of a neutrally-buoyant non-Brownian suspension, bubble speed is demonstrated to be faster in suspensions than in particle-less liquids of the same effective viscosity. By carefully measuring this bubble speed increase at various particle volume fraction and via velocity field imaging, this new bubble dynamics is linked to a reduction in the bulk dissipation rate. A good match between our experimental data and computations based on Suspension Balance Model illustrates that the underlying mechanism for this dissipation-rate deficit is related to a non-uniform particle distribution in the direction perpendicular to the channel walls due to shear-induced particle migration. The second part of this thesis deals with the dynamics of bubble-bubble interactions and bubble chains rising in a Newtonian liquid. When several bubbles interact with each other, they first show a steady approach, they accelerate and undergo sharp shape changes until they come into contact. By considering the neighboring bubble's influence on the pressure field and the reduction in the dissipation, it is possible to qualitatively describe the bubble merging process. After merging, the bubble chain remains intact and their dynamics, when compared to the single bubble rise, is slower. In addition, spatial reorganizations within the same train of bubbles are observed. These results provide a promising avenue for studying bubble-bubble merging and bubble(s)-particle interaction in the context of complex multiphase flow.