Dynamique et transferts dans les écoulements turbulents liquide-gaz

Dynamics and transfers in liquid-gas turbulent flows

• Auteur / Autrice : Valentin Mouet
• Direction : François Pétrélis, Stéphan Fauve
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/10/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurette S. Tuckerman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Pétrélis, Stéphan Fauve, Laurette S. Tuckerman, Christophe Josserand, Luc Deike, Régis Wunenburger, Nicolas Mordant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Josserand, Luc Deike
• DOI : 10.70675/df0236a7z5660z40d4z93d3zbef9203af7c3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Écoulements diphasiques

Bifurcation

Turbulence

Fragmentation

Coalescence

Transferts thermiques

Two-phase flows

Bifurcation

Turbulence

Fragmentation

Coalescence

Heat transfers

Résumé

Les écoulements diphasiques liquide-gaz sont omniprésents dans la nature comme dans l’industrie. Cette thèse explore plusieurs aspects fondamentaux de ce type d’écoulement. Nous insistons sur le fait que certaines problématiques sont communes avec d’autres champs de la physique et peuvent être traitées avec les mêmes outils. La première partie de la thèse est consacrée à l’étude expérimentale d’un écoulement turbulent de von Kármán, dans lequel une fraction du volume variable pouvant atteindre 15% est occupée par de l’air, le reste étant de l’eau. Nous montrons que le couplage entre l’écoulement grande échelle et la dynamique des bulles peut conduire à une bifurcation sous-critique de l’écoulement, lorsque les disques tournent à des vitesses différentes. Cette bifurcation se manifeste par une réduction jusqu’à 50% du couple nécessaire pour faire tourner le disque rapide à vitesse constante. Le couple diminue continûment lorsque les deux vitesses de rotation sont proches. Nous attribuons cet effet à la migration des bulles entre les pales du disque, ce qui réduit la densité effective du fluide entraîné par le disque. Ce comportement peut être décrit par un système dynamique stochastique simple à un seul mode, ou a deux modes couplés. De manière réciproque, la dynamique des bulles est impactée par l’écoulement turbulent dans la phase liquide. En particulier, la probabilité pour une bulle de se fragmenter ou de coalescer avec une autre bulle dépend fortement des fluctuations turbulentes et affecte la distribution de tailles de bulles. Nous discutons dans une deuxième partie un modèle statistique fondamental, capable de décrire ces processus via des noyaux de fragmentation et de coalescence. Nous illustrons sa généralité en proposant un modèle statistique capturant les principales propriétés de la distribution des tailles de plaques tectoniques sur Terre, et en discutant les modèles déjà existants pour la fragmentation de bulles dans un écoulement turbulent. Ces deux applications a priori très différentes peuvent en réalité s’interpréter avec des arguments simples lorsque les noyaux de fragmentation et de coalescence sont des lois de puissance. Le couplage entre l’écoulement turbulent et l’existence d’une phase gazeuse dispersée se manifeste enfin par une modification des propriétés de transport du fluide. Par exemple, dans les écoulements liquide-gaz avec changement de phase, la condensation s’accompagne d’une libération d’énergie via la chaleur latente, qui impacte les transferts de chaleur dans l’écoulement. Le transport de la chaleur par changement d’état se révèle très efficace et est largement utilisé dans les circuits de réfrigération industriels. Il est encore mal compris, notamment à cause du fait que la nucléation de bulles ou de gouttes sur une paroi dépend de nombreux paramètres. Nous développons un dispositif expérimental permettant d’étudier le flux de chaleur dans une géométrie de Rayleigh-Bénard, lorsque le fluide est un mélange diphasique de SF6 liquide qui coexiste avec sa vapeur. Proche du point critique, les propriétés thermiques du fluide varient fortement, selon des lois critiques connues. Nous montrons que le flux thermique diverge proche du point critique, et peut lui aussi se décrire avec une loi critique que nous mesurons expérimentalement. Ce résultat pose des contraintes sur les futurs modèles théoriques de convection thermique avec changement de phase. Cette thèse se termine par une étude expérimentale de la diffusion du son par un écoulement turbulent de von Kármán monophasique. Bien que ce problème puisse paraître très éloigné de ce qui précède, il s’inscrit dans une approche de modélisation par milieu effectif, parfois utilisée pour étudier certains écoulements à bulles. Nos résultats indiquent en particulier que la diffusion par l’écoulement turbulent augmente la vitesse de propagation d’une onde sonore cohérente.

Liquid-gas two-phase flows are ubiquitous in nature as well as in industry. This thesis explores several fundamental aspects of this type of flow. We emphasize that some issues are common to other fields of physics and can be addressed with the same tools. The first part of the thesis is dedicated to the experimental study of a von Kármán turbulent flow, in which a fraction of the volume up to 15% is occupied by air, with the remainder being water. We show that the coupling between the large-scale flow and the bubble dynamics can lead to a subcritical bifurcation of the flow when the disks rotate at different rotation rates. This bifurcation is manifested by a reduction of up to 50% in the torque required to keep the fast disk rotating at a constant speed. The torque continuously decreases when the two rotation speeds are close.We attribute this effect to the migration of bubbles between the blades of the disk, which reduces the effective density of the fluid driven by the disk. We show that this behavior can be described by a simple stochastic dynamical system with a single mode or with two coupled modes. Conversely, bubbles dynamics is impacted by the turbulent flow in the liquid phase. In particular, the probability of a bubble fragmenting or coalescing with another bubble strongly depends on turbulent fluctuations and thus affects the bubble size distribution. In the second part, we discuss a fundamental statistical model capable of describing these processes through fragmentation and coalescence kernels. We illustrate its generality by proposing a statistical model capturing the main properties of the size distribution of tectonic plates on Earth and discussing existing models for bubble fragmentation in a turbulent flow. These two seemingly very different applications can actually be interpreted with simple arguments when the fragmentation and coalescence kernels are power laws. The coupling between the turbulent flow and the existence of a dispersed gas phase also manifests itself in a modification of the transport properties of the fluid. For example, in liquid-gas flows with phase change, condensation is accompanied by energy release via latent heat, which impacts heat transfers in the flow. Heat transport by phase change is very efficient and is widely used in industrial refrigeration circuits. It is still poorly understood, particularly because bubble or droplet nucleation on a wall depends on many parameters. We develop an experimental setup to study heat flux in a Rayleigh-Bénard geometry, where the fluid is a two-phase mixture of liquid SF6 coexisting with its vapor. Near the critical point, the thermal properties of the fluid vary greatly according to known critical laws. We show that the heat flux diverges near the critical point and can also be described by a critical law that we measure experimentally. This result imposes constraints on future theoretical models of thermal convection with phase change. This thesis is concluded with an experimental study of sound diffusion by a single-phase von Kármán turbulent flow. Although this problem may seem very different from the preceding ones, it fits into an effective medium modeling approach sometimes used to study bubbly flows. Our results indicate, in particular, that diffusion by the turbulent flow increases the propagation speed of a coherent sound wave.