Caractérisation expérimentale pour la CFD du phénomène d'entrainement d'air dans un liquide

Experimental characterization for CFD of air entrainment in a liquid

• Auteur / Autrice : Mathilde Lemoine
• Direction : Catherine Colin, William Benguigui
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 20/01/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMFT - Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)

Mots clés

Mots clés libres

Entraînement d'air

Expérimental

Modélisation CFD

Air entrainment

Experimental

CFD modelisation

Résumé

L'entraînement de gaz par un liquide est un sujet historique chez EDF. Jusqu'à ce jour les travaux se sont concentrés sur une échelle macroscopique. La genèse de l'entrainement d'air ou de gaz a été peu traitée. Cette transition est pourtant primordiale. La phénoménologie est dépendante de la forme et de la vitesse du jet, des propriétés physiques, et aussi de l'échelle. La littérature scientifique reste aussi peu fournie. Dans la démarche scientifique, la simulation numérique est un outil important pour caractériser des écoulements diphasiques en complément de l'approche expérimentale. EDF R&D développe et valide un code dédié à la simulation numérique à échelle locale des écoulements multiphasiques : neptune_cfd. Dans la zone de transition à l'impact d'un jet liquide sur une surface libre, l'entrainement de gaz est résolu pour les grandes interfaces puis modélisé pour les plus petites. La transition entre ces approches est aujourd'hui mal définie. L'objectif de la thèse est de réaliser des expériences d'entraînement d'air pour la CFD pour caractériser l'entrainement de gaz généré par un jet impactant une surface libre à une échelle locale pour différents jets, propriétés physiques et rapports d'échelle, afin d'enrichir et valider le modèle multi-régime de neptune_cfd. L'approche dite multi-régime est validée sur différentes applications, mais il existe peu de cas de jet impactant une surface libre permettant de valider et de modéliser correctement la transition du modèle résolu à l'approche modelisée. Une approche expérimentale pour le numérique est nécessaire. Celle-ci devra tenir compte des spécificités de la mise en modélisation dans neptune_cfd, pour mieux orienter les mesures et quantifier les incertitudes.

Air entrainment by a liquid is a historical research subject at EDF. Until now, research has focused on a macroscopic scale and the origins of air entrainment remains less explored. However, this transition is of fundamental importance. This phenomenon is dependent on jet shape and velocity, physical properties and scale. The scientific literature also remains sparse on this topic. Numerical simulation is an important tool for characterizing two-phase flows, complementing the experimental approach. EDF R&D is developing and validating a code dedicated to the local-scale numerical simulation of multiphase flows: neptune_cfd. In the area of transition from liquid jet to free surface, gas entrainment is solved for large interfaces and then modeled for smaller ones. The transition between these approaches is currently not clearly defined. The aim of this thesis is to carry out CFD air entrainment experiments to characterize the gas entrainment generated by a plunging jet impacting a free surface on a local scale for different jets, physical properties and scaling ratios, to enrich and validate the neptune_cfd multi-regime model. The multi-regime approach has been validated on various applications, but there are few cases of a jet impacting a free surface where the transition from solved to modeled approach can be validated and modeled correctly. An experimental approach to numerical modeling is required, and the specificities of the modeling in Neptune_cfd need to be considered to guide the measurements and quantify uncertainties.