Étude expérimentale et modélisation de l'impact entre une bulle et une structure

Les écoulements diphasiques sont présents dans plusieurs applications industrielles. Notamment, ils sont d'une grande importance dans les générateurs de vapeur des centrales nucléaires. À l'intérieur de ces générateurs, des écoulements à bulles traversent des faisceaux de tubes et engendrent des vibrations substantielles sur ces derniers. Dans le but de prévoir le spectre des forces agissant sur ces tubes, un modèle numérique a été développé au sein de la chaire de recherche industrielle en interaction fluide-structure CRSNG/BWC/EACL. Bien que le modèle soit prometteur, certains éléments pourraient être affinés. Le but de ce mémoire est d'apporter par des méthodes expérimentales et théoriques des améliorations aux hypothèses à la base du modèle élaboré. Plus particulièrement, de développer des relations de fermeture pour la masse ajoutée de bulles dans un nuage de bulles. Également, de créer un modèle d'impact entre une bulle et une structure afin de connaître les efforts sur la bulle et sur la structure. Dans un premier temps, le problème de masse ajoutée est traité. Sous l'hypothèse d'un écoulement potentiel, une méthode de résolution d'écoulement à l'intérieur d'un nuage de bulle est développée. Les bulles sont considérées comme des sphères rigides de taille identique avec des conditions de glissement imposées à leur surface. Une relation permettant de prédire la force de masse ajoutée sur une bulle au centre d'un nuage est développée. Elle prend en compte un effet individuel, un effet de confinement et un effet induit par les autres bulles. Il est ainsi possible, à partir de la géométrie d'un nuage de bulle, de déterminer quelle sera la force de masse ajoutée subie par n'importe quelle de ces bulles. Ensuite, l'approche précédente est étendue pour le cas d'une bulle ellipsoïdale et déformable approchant d'un mur. Des relations de masse ajoutée sont développées tant pour le mode de translation que pour le mode de compression. La notion de force de jet est également discutée et son utilité pour la conservation de l'énergie est mise en évidence. Ces forces sont ensuite mises ensemble afin de créer un modèle d'impact sur un mur. Ce modèle peut non seulement servir à prédire les forces sur la bulle, mais également les forces sur le mur. Afin de valider ce modèle, plusieurs expériences ont été réalisées. Le premier montage permet de réaliser des impacts de bulles sur un mur fixe. De ces expériences, des relations de restitutions sont extraites. Elles permettent de prédire l'état de la bulle après collision à partir de ses caractéristiques initiales. Il devient évident que la catégorie de bulle (lente ou rapide) a un effet significatif sur la dynamique de la collision. Plus encore, l'élément clé qui dicte le comportement au rebond semble être le rapport d'aspect de la bulle.