Modélisation des écoulements intermittents gaz-liquide en conduite

Slug flow modelling

• Auteur / Autrice : Alexandre Boucher
• Direction : Alain Liné
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : TIM - Transfert, Interface, Mélange
• Jury : Président / Présidente : Ecric Climent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Line, Pietro Poesio, João Moreiras Campos, Neima Brauner, Andrea Prosperetti, Guillaume Bois, Roel Belt
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Neima Brauner, Andrea Prosperetti

Mots clés

Mots clés libres

PIV (Particle Image Velocimetry)

Forme et vitesse de poches de gaz

Forme et vitesse de poches de gaz

PIV (Particle Image Velocimetry)

CFD (Computational Fluid Dynamics)

Shape and celerity of long gas bubble

Résumé

La prédiction de la perte de charge et de la quantité de liquide dans les modèles 1D utilisés pour la modélisation des écoulements à poches-bouchons nécessite une compréhension poussée des phénomènes physiques mis en jeu dans le mouvement des poches de gaz. Or l’hydrodynamique de des poches en conduites inclinées et dans des liquides à forte viscosité est peu abordé dans la littérature et l’application des modèles 1D dans ces cas mérite d’être évalué. Dans cette thèse, le mouvement de poches de gaz dans des conduites faiblement inclinées , i.e. de 0.2° à 15°, et pour des liquides à forte viscosité, i.e. de 0.001 Pa.s à 0.2 Pa.s, est étudié en détail. La vitesse de translation des poches, leur formes ainsi que le champ de vitesse dans le film liquide ont été obtenus via des mesures optiques (ombroscopie et PIV). Une réduction forte de la vitesse de translation des poches a été observé à de très faibles inclinaisons et de très forte viscosités, e.g. 1° et 0.1 Pa.s. Ce phénomène est en parti expliqué par la présence d'un régime sous-critique dans le film liquide. De plus, la forme du nez de la poche, la distribution de vitesses de pression et des contraintes visqueuses pariétales ont été extraits de simulations numériques et d'expériences de TOMO PIV dans l'ensemble du volume liquide (3D). Ces données soulignent dans certain cas la faiblesse des modèles 1D pour la prédiction des caractéristiques hydrodynamiques des poches en conduites inclinées et dans des liquides visqueux. Par conséquent, une reformulation de l’équation de quantité de mouvement prenant en compte la variation des centres de pression dans les phases liquide et gazeuse est proposée. Cette nouvelle équation montre de bonne capacité de prédiction de la position de l’interface gaz-liquide dans des conduites inclinée et pour des fluides visqueux.

Accurate predictions of the pressure drop and liquid content in slug flow regime require a deep understanding of mechanistic models, and in particular on the physic behind the motion of gas bubbles. The separate region, i.e. the gas bubble region of slug flow, is essential since the shape and the velocity of gas bubble are closely related. In this Ph.D., the motion of elongated bubbles in viscous liquids, i.e. from 0.001 Pa.s to 0.2 Pa.s, and for pipe inclinations ranging from 0.2° to 15° are investigated. Such small inclinations have been barely tackled in the literature and the predictive potential of one-dimension mechanistic models was evaluated in this work on elongated bubbles in still liquid for such conditions. The terminal velocities, the shapes and the velocity fields in the liquid layer under the bubble were obtained using two-dimensional (coupled shadowgraphy and PIV) optical techniques. A strong velocity reduction was observed for bubbles in very slightly inclined pipes and in large liquid viscosities, e.g. 1° and 0.1 Pa.s, due to the presence of a subcritical flow regime in the receding stream. In addition, an investigation of the three-dimensional flow in the liquid layer was performed using CFD simulations and TOMO PIV experiments. These experiments pointed out the necessity of integrating the three-dimensional shape of elongated bubbles, the 3D velocity field, the pressure distribution, and the distribution of the wall shear stress in the liquid layer around the bubble into one-dimensional models. The momentum equation was reformulated by introducing the centre of pressure in the liquid and gas phases, and tested on different experimental results of elongated bubbles in inclined pipes and in viscous liquids.