Dynamique spectrale de l'interaction entre l'agitation induite par les bulles et la turbulence

Spectral dynamics of the interaction between bubble induced agitation and turbulence

• Auteur / Autrice : Gabriel Ramirez
• Direction : Frédéric Risso, Alan Burlot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 13/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Service de thermo-hydraulique et de mécanique des fluides (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Martín Obligado
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Risso, Alan Burlot, Adrien Toutant, Barbara Bigot, Guillaume Bois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Markus Uhlmann, Sergio Chibbaro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Turbulence

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Diphasique

Simulation numérique directe

Turbulence

Analyse spectrale

Bubbly flow

DNS

Turbulence

Spectral analysis

Résumé

De nombreux écoulements, naturels comme industriels, mettent en jeu une phase dispersée, solide, liquide ou gazeuse, dans un fluide porteur. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la dynamique des écoulements turbulents contenant des bulles millimétriques, afin d’améliorer la compréhension des scénarios d’accidents concernant les réacteurs à eau pressurisée. Ces écoulements présentent des fluctuations radicalement différentes des écoulements monophasiques. Celles-ci résultent à la fois de l’agitation induite par les bulles (BIA pour “Bubble Induced Agitation”) et de la turbulence induite par le cisaillement (SIT pour “Shear-Induced Turbulence”). Notre objectif est de comprendre comment ces deux mécanismes se combinent, à l’aide de simulations numériques directes (DNS) effectuées dans une boîte périodique.L’interaction entre BIA et SIT dépend du rapport entre les énergies de ces deux contributions, mais aussi de la plage de nombres d’onde où l’énergie de chacune est distribuée. Nous avons choisi de représenter la SIT par une turbulence homogène isotrope stationnaire (HIT pour “Homogeneous-Isotropic Turbulence”) obtenue par un forçage aléatoire des grandes échelles. La BIA est produite par un essaim homogène de bulles en ascension, dont le diamètre est choisi pour se situer dans la gamme d’échelles de la zone inertielle de la HIT. La puissance produite par le forçage de la HIT est maintenue constante, tandis que la puissance injectée à travers les bulles par la force de flottabilité est modifiée en changeant la fraction volumique de gaz : α =0, 0.03, 0.06 et 0.12.Les statistiques des fluctuations sont analysées en détail, en portant un intérêt particulier à la dynamique, dans le domaine spectral, de l’énergie cinétique et des termes de son bilan. Un soin particulier a été apporté à la justification de la pertinence des spectres des champs décrivant le mélange diphasique, en présence des singularités aux interfaces causées par la tension de surface et la discontinuité de la masse volumique. Dans les simulations de la BIA pure (sans forçage de la HIT), les fluctuations sont dominées par les sillages des bulles en interaction. L’énergie produite par la flottabilité est concentrée autour de la taille des bulles, transportée vers les petites échelles par les termes d’inertie et de tension de surface, puis dissipée par les termes visqueux. L’absence de séparation d’échelle entre la production et la dissipation est responsable d’une évolution en k^-3 sur une plage limitée du nombre d’onde k. Les simulations couplées, en présence de HIT et de BIA, correspondent à des situations où le rapport entre la production par les bulles et celle par le forçage turbulent est plus ou moins grand que l’unité, selon la valeur de α. Dans tous les cas, le mouvement de bulles et les fluctuations du liquide à des échelles plus grandes que les bulles sont dominés par la HIT. En revanche, la BIA imprime sa marque aux échelles plus petites en gardant une dynamique propre, peu influencée par la HIT.Ces résultats ouvrent des pistes concrètes à l’amélioration des modèles de turbulence en écoulement à bulles qui incluent une description des contributions de la BIA et de la SIT.

Many industrial flows, as well as natural flows, involve a dispersed phase moving through a carrier fluid. In order to improve the understanding of ac- cidental scenarii of pressurized water reactors, we study the dynamics of flows with millimeter-sized bubbles. The fluctuations which develop are distinctly different from those observed in single-phase flows. They result both from the Bubble Induced Agitation (BIA) and the Shear-Induced Turbulence (SIT). In this work, we carry out Direct Numerical Simulations (DNS) in a periodic domain in order to understand how these two contributions entangle. The interaction between BIA and SIT depends on the energy ratio between them, but also on the range of scales where their energy is distributed. The SIT is represented by a stationary Homogeneous Isotropic Turbulence (HIT) generated by a random forcing at large scales. The BIA comes from the collective motion of a homogeneous swarm of bubbles, the diameter of which is chosen to fit within the inertial subrange of the HIT. The power produced by the HIT forcing is set constant, while power injected by the work of buoyancy is varied by changing the gas volume fraction: α = 0, 0.03, 0.06, 0.12. The statistics of the fluctuations are analyzed in detail, with a particular focus on the spectral dynamics of the fluctuating kinetic energy and its budget. The relevance of the spectra of fields describing the two-phase mixture, in the presence of singularities at the interfaces due to surface tension and density discontinuities, has been closely examined. For the pure BIA case (without HIT), the fluctuations are dominated by the interacting bubble wakes. The energy coming from the buoyancy is generated at the bubble scale, transported towards smaller scales by inertial terms and by surface tension, and dissipated by the viscous terms. The absence of a scale separation between energy production and dissipation leads to a κ −3 evolution of the energy spectra on a limited range of wavenumbers κ. Then, the coupled simulations, with HIT and BIA, have been designed such that the ratio between the production by the bubbles and the production by the turbulent forcing is either below or above unity, according to the value of α. In any case, the bubble motion and the liquid fluctuations at scales larger than the bubbles are dominated by the HIT. Conversely, HIT has little influence at small scales, where BIA has a strong impact. These results pave the way for improving turbulent bubbly flow models that take into account both contributions, BIA and HIT.