Fluides newtoniens et suspensions : bulle unique et vidange

Newtonian Fluids and suspensions : single bubbles and emptying reservoirs

• Auteur / Autrice : Benjamin Monnet
• Direction : Sylvain Joubaud, Valérie Vidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/06/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matère et Complexité
• Jury : Président / Présidente : Philippe Gondret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Joubaud, Valérie Vidal, Philippe Gondret, Pascale Aussillous, Benjamin Dollet, Véronique Roig
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascale Aussillous, Benjamin Dollet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides newtoniens

Cellule de Hele-Shaw

Bulles

Mots clés libres

Bulle

Cellule de Hele-Shaw

Écoulements multiphasiques

Fluides newtoniens

Suspensions

Vidange

Bubble

Hele-Shaw cell

Multiphase flows

Newtonian fluids

Suspensions

Emptying reservoirs

Résumé

Les écoulements multiphasiques (gaz/liquide/solide) sont présents dans de nombreux processus naturels et industriels. Malgré les nombreuses études sur ce sujet, sa physique riche et complexe soulève encore de nombreuses questions. Dans cette thèse, nous proposons de quantifier d'une part la remontée d'une bulle unique dans un milieu confiné et d'autre part, la vidange d'un réservoir. Dans les deux cas, nous étudierons et comparerons les fluides newtoniens et les suspensions. Tout d'abord, nous avons regardé la vitesse et la forme d'une bulle remontant à la verticale dans un liquide newtonien. Un modèle théorique quantifiant la vitesse des bulles pour toute viscosité a été développé et vérifié expérimentalement. De plus, il a été noté que la forme des bulles est caractéristique du régime dans lequel elles sont, avec des bulles allongées dans le sens de leur remontée dans le régime visqueux et aplaties perpendiculairement dans le régime inertiel. Étonnamment, l'écoulement du fluide généré par les bulles change peu.La suite du manuscrit porte sur l'étude de la remontée d'une bulle unique en géométrie inclinée par rapport à la gravité. La forme des bulles change peu et uniquement pour les géométries les plus confinées. Nous montrons que l'inclinaison induit des frottements supplémentaires et en proposons une modélisation théorique.Nos travaux se sont ensuite focalisés sur la remontée de bulles dans des suspensions. Une méthode expérimentale permettant de visualiser les particules de cette dernière a été mise en place dans le but de déterminer expérimentalement la fraction volumique locale de grains.Enfin, nous nous sommes intéressés à la vidange d'un réservoir rempli d'un liquide newtonien ou d'une suspension. Dans le premier cas, la diminution du débit volumique et de la fréquence des bulles avec la viscosité a été caractérisée. Dans le second cas, deux régimes distincts ont été observés, l'un où la suspension s'écoule comme un liquide et l'autre où des particules émergent, ce qui a pour conséquence d'accélérer la vidange.

Multiphase flows (gas/liquid/solid) are omnipresent in natural and industrial process. Despite all the studies on this topic, its complex and rich physics still rises a lot of questions. We studied the rise of single bubbles in a confined environment as well as the emptying of a tank. In both cases, Newtonian fluids and suspensions are examined and compared. First of all, the speed and shape of a freely rising bubble in a vertical cell filled with Newtonian fluid have been looked in details. A theoretical model taking into account the fluid inertia predicting the bubbles speed has been established and experimentally verified. Besides, the bubbles shape strongly depends on the regime, with elongated bubbles in the direction of their movement in the viscous regime and flattened bubbles in the inertial regime. Surprisingly, the liquid flow generated by the bubble does not change significantly. The following chapter of the manuscript focuses on the rise of single bubbles in a geometry tilted with respect to the gravity. Bubbles shape slightly changes but only for the most confining geometries. The tilting induces additional friction that we modeled theoretically. Next, we focused on the rise of individual bubbles in a suspension. An experimental method designed to distinguish the particles in a suspension has been implemented in order to locally measure the volume fraction of grains. Finally, our work aimed at understanding the emptying of a tank filled with Newtonian fluid or suspension. In the former case, we quantified the decrease of flow rate and frequency of bubbles with the viscosity. In the latter case, two distinct regimes are noticeable: first, the suspension flows like a Newtonian fluid and latter, some particles emerge, fastening the emptying but making it incomplete.