Caractérisation expérimentale des interactions et de la coalescence entre deux bulles d'air dans de l'eau du robinet stagnante

RÉSUMÉ Les bulles sont des entités présentes dans beaucoup d’applications industrielles. Elles peuvent être bénéfiques ou néfastes et leur comportement doit donc être étudié afin de comprendre et gérer leur influence. Par exemple, dans le cas des barrages hydroélectriques, des bulles sont injectées au niveau des turbines afin de réoxygéner l’eau. Or, celles-ci interagissent entre elles et peuvent même coalescer, ce qui réduit la surface de contact avec l’eau et donc l’oxygénation. Afin de réaliser des modèles numériques de nuages de bulles, il faut comprendre leur comportement et interaction. C’est pourquoi, nous nous sommes intéressés dans notre étude expérimentale au cas de deux bulles s'élevant dans l'eau. Pour cela, nous avons conçu un montage permettant de créer deux bulles dans une cuve d’eau stagnante et de les filmer sur une distance d’environ 500 mm. Nous avons réalisé un total de 34 expériences avec une bulle seule et 352 expériences avec deux bulles comprenant 25 coalescences, pour des tailles allant de 2.02 mm à 5.73 mm de diamètre équivalent, et des conditions initiales variant verticalement et horizontalement. Dans nos expériences, le nombre d'Eötvös est compris entre 0.14 et 1.1 environ, le nombre de Galilée entre 100 et 478 et le nombre de Reynolds entre 657 et 1422. Les bulles d’air que nous avons observées suivent une trajectoire zig-zag ou hélicoïdale et prennent une forme ellipsoïdale variant plus ou moins en fonction de leur taille. Nous avons aussi réussi à créer quelques bulles lentes prenant une forme plus sphérique et s’élevant plus lentement que celles rapides. Nous avons remarqué que la présence d’une deuxième bulle avait tendance à forcer une trajectoire spirale rapidement. Une interaction est clairement visible jusqu’à environ 6 à 7 diamètres de distance initialement : les bulles côte-à-côte vont avoir tendance à se rapprocher horizontalement tandis que dans la configuration en ligne ou quelconque, la bulle de derrière est aspirée par celle de devant en entrant dans son sillage. Les fluctuations de vitesse et rapport d’aspect ne semblent cependant pas être impactées sauf lorsqu’il y a un contact. Dans ce cas, les bulles peuvent soit coalescer, soit rebondir. La probabilité qu’elles coalescent est d’autant plus élevée que la vitesse radiale d’approche est grande, ce qui est en contradiction avec les principaux résultats de la littérature. Un coefficient de rebond a aussi été défini comme le rapport des vitesses radiales avant et après contact. Celui-ci est souvent plus grand que 1, ce qui signifie que les bulles ont parfois tendance à s’éloigner plus rapidement qu’elles se sont approchées. Plusieurs origines sont possibles pour un tel phénomène : variation d’énergie potentielle, interaction avec les sillages… Ce mémoire présente plus en détail la démarche expérimentale et les différents résultats. Ceux-ci pourront être utilisés pour améliorer les simulations numériques de bulles.

Abstract

ABSTRACT Bubbles can be found in a lot of industrial applications and their presence is either beneficial or problematic. Therefore, their behaviour must be studied to better understand their impact on the efficiency of a process. For instance, bubbles are injected in hydroelectric dams to reoxygenate water. However, if they coalesce, the contact surface with water is diminished and so is the oxygenation. In order to run proper numerical simulations on bubble swarms, it is necessary to understand their dynamics and interactions. This is why we have led an experimental study on two bubbles rising in water. To do so, we designed an experimental set-up with a two bubbles creation system that allowed us to track bubbles over a distance of approximately 500 mm. We then carried out 34 experiments with one single bubble and 352 experiments with a pair of bubbles, including 25 cases of coalescence. The equivalent diameters varied from 2.02 mm to 5.73 mm and the initial horizontal and vertical distances were controlled. The Eötvös number varies from 0.14 to 1.1, the Galilei number from 100 to 478 and the Reynolds number from 657 to 1422. We observed zigzagging and spiralling bubbles with a varying ellipsoidal shape. We also managed to create a few slow bubbles with a more spherical shape, and smaller rising velocity compared to fast ones. We noticed that bubbles tended to go on a spiralling motion more quickly with the presence of another one. Indeed, an interaction is clearly visible until an initial distance of approximately 6 or 7 diameters. Side-by-side bubbles are attracting each other and so do in-line ones: when the trailing bubble enters the leading bubble wake, it is accelerated. However, terminal velocity fluctuations and aspect ratios do not seem to be different from those of single bubbles, except when there is a contact. In that case, they can either bounce or coalesce. The higher the radial approach velocity is and the higher the coalescence probability becomes, which seems to be in contradiction with the main results in the literature. A bouncing coefficient has also been defined as the ratio of the radial velocities before and after contact. We surprisingly found that this coefficient is sometimes bigger than 1 which means that the bubble moves faster after the bouncing than before it. This phenomenon's origin can be for example the potential energy variation or the wake interactions. In this thesis, we present the experimental approach and our results, that can be used to improve numerical simulation on bubble pairs or bubble swarms.