Étude de l'injection de bulles d'air dans un écoulement d'eau

Ce mémoire étudie l'injection d'air de façon transverse à un écoulement d'eau. L'injection d'air dans l'eau a déjà été étudiée de multiples fois depuis des décennies, mais, la plupart de ces recherches ayant été faites en eau stagnante et avec un faible nombre de bulles, très peu d'informations n'est disponible sur ce sujet. En effet, avec comme objectif final d'injecter de façon optimale de l'oxygène dans les conduites des centrales hydroélectriques afin d'éviter l'appauvrissement saisonnier de l'oxygène dans l'eau en aval des dites centrales, il est nécessaire de tenir compte des contraintes de telles infrastructures. Ainsi, un écoulement d'eau et une forte injection de gaz est indispensable pour obtenir des résultats intéressants. Ce travail étant le premier d'une longue lignée, l'essentiel de celui-ci consiste à concevoir et fabriquer plusieurs dispositifs expérimentaux permettant d'effectuer des mesures pertinentes, ces dispositifs devant ainsi permettre l'injection d'air par des injecteurs différents ainsi que la prise de mesures de pression et de sonde optique. Tout ceci ayant lieu dans une veine d'essais de taille réduite, il a été très compliqué de prendre en compte toutes les contraintes expérimentales, notamment au niveau de l'étanchéité de tous les équipements. Néanmoins, tous les différents obstacles, prévus ou imprévus, ont été surmontés afin d'aboutir à des résultats intéressants et encore jamais obtenus sur les variations de pression lors de l'injection d'air à travers diverses géométries d'injecteurs ainsi que sur les caractéristiques de l'écoulement diphasique en résultant. On constate que la perte de charge peut rapidement devenir très importante au niveau de l'injection, quel que soit la forme de l'injecteur. Les cartes de taux de vide et les caractéristiques des bulles d'air permettent de mieux comprendre l'écoulement diphasique généré par l'injection. Tous les dispositifs expérimentaux conçus et fabriqués, tous les protocoles expérimentaux testés et tous les résultats obtenus pendant cette maîtrise sont un très bon socle, une très bonne base pour les futurs travaux qui suivront et enrichiront ce sujet.

Abstract

This thesis studies the air injection crosswise a water flow. The air injection inside water has already been studied multiple times, but, as most of the research was done in stagnant water with a small number of bubbles, little information is available on the subject. As the main goal is to optimally inject oxygen into the hydraulic passages of hydroelectric dams to avoid low downstream dissolved oxygen concentrations, and such low dissolved oxygen concentration can occur seasonally in certain regions, it is important to take into account the constraints of such plants. A water flow combined with an significant gas injection can provide interesting results. As this work is the first of many, the main task is to conceive and build an experimental apparatus capable of pertinent measures. For instance, being able to measure pressures along the vein and flow characteristics while easily switching injectors is one of the different challenges. The vein itself being quite small, the experimental constraints, and especially the watertightness of all the devices, are quite difficult to take into account perfectly. Nevertheless, all the impediments were overcome and some interesting and new results were obtained, for example, the pressure variations through numerous injectors as well as the characteristics of the diphasic flow. The pressure losses can quickly become high near the injector, regardless of its geometry. Also, the void fraction maps and the bubble characteristics help us to better understand the diphasic flow generated by the air injection. The experimental apparatus, designed and made, all the experimental protocols and the results obtained during this master are a good base for the future works on the subject.