Étude expérimentale de nappes d'air injectées à haut débit à travers différentes fentes dans un écoulement d'eau transverse

L'injection d'air dans des écoulements perpendiculaires offre un intérêt croissant dans l'industrie, notamment pour l'oxygénation de l'eau rejetée par les centrales hydroélectriques. Cette pratique a pour objectif de protéger la biodiversité aquatique dans les cours d'eau en respectant des normes d'oxygène dissous par litre d'eau. L'objectif est d'injecter de grandes quantités d'air à travers des injecteurs rectangulaires générant le moins de pertes de pression possible. Pour cela, il est primordial de comprendre les comportements des nappes d'air injectées dans des écoulements transverses et leur influence sur les mécanismes d'échanges d'oxygène de l'air vers l'eau. Cette étude ne mesure pas le taux d'oxygène dans l'eau, mais s'intéresse plutôt aux grandeurs qui l'influencent. Les grandeurs d'intérêt principales dans ce cas sont la surface l'interface air/eau, le taux de vide et le diamètre de Sauter. Une revue de littérature met en évidence que le type d'écoulement avec lequel nous traitons a peu été étudié par le passé, et que les vitesses d'écoulement et quantités d'air injectées sont très faibles comparées à celles étudiées ici. Les expériences sont menées dans une boucle hydraulique à pression contrôlée pour des vitesses de liquide entre 1.25 et 6 m/s, des débits d'air allant jusqu'à 0.05 m$^3$/s (titre volumique de 15 \%) et des pressions dans les veines d'essai entre 0.3 et 1 bar. Quatre fentes rectangulaires sont testées : une fente de référence, une fente épaisse, une fente courte et une fente triple. L'objectif est tout d'abord de comprendre le comportement du jet et ses caractéristiques en fonction des conditions de l'écoulement diphasique et de la fente d'injection. La visualisation des nappes d'air a mis en évidence l'existence de deux régions principales. La première est la région en jet soumise à la quantité de mouvement de l'injection et l'intensité de l'écoulement transverse. La deuxième est la région de quasi-flottabilité influencée majoritairement par l'effet d'Archimède et l'écoulement lui-même. Deux équations décrivent chacune de ces deux zones en fonction des nombres adimensionnels d'intérêts. La zone de transition entre ces deux régions correspond au décollement de la nappe par rapport à la paroi inférieure. Cette distance dépend principalement de la vitesse de l'écoulement, et diffère d'une fente à l'autre. La fente avec trois ouvertures (fente triple) donne un nuage qui se décolle plus proche de l'injection contrairement aux fentes comportant une seule ouverture. La hauteur de pénétration de la nappe dans l'écoulement permet de comparer les nuages de bulles et montre que le paramètre essentiel pour avoir des jets similaires entre deux fentes est le ratio des énergies cinétiques des deux phases multiplié par la surface d'injection. Les observations des nappes d'air montrent l'apparition de tourbillons contrarotatifs proches de l'injection qui se développent tout le long des veines. La détection locale des phases (gazeuse ou liquide) à l'aide d'une sonde à fibre optique proche de la fente confirme la présence d'une poche d'air entourée d'une couche de mélange diphasique, qui se comporte comme un obstacle solide pour l'écoulement d'eau. Les mesures de sonde montrent que les tourbillons contrarotatifs influencent la distribution des bulles et entraînent les petites bulles en leur centre tandis que les plus grosses bulles s'échappent vers le haut de la veine. On remarque que l'augmentation de la vitesse de l'écoulement ou la vitesse d'injection de l'air génère des bulles plus petites loin de l'injection. Le deuxième aspect important à étudier est la variation de pression dans l'écoulement diphasique et les pertes de pression à travers les fentes grâce à des capteurs positionnés en divers points de l'écoulement. Les mesures permettent de relier les variations de pression le long de l'écoulement aux conditions expérimentales et aux données de taux de vide à une distance donnée par rapport à la fente. Deux autres équations permettent aussi d'évaluer le débit massique d'air admissible à travers une fente de surface connue en fonction de la pression et température amont à l'injection et la pression en aval de celle-ci. Dans le cas industriel, elles peuvent être utilisées lors de la conception d'un injecteur selon les différences de pression ou le débit massique voulu pour optimiser l'oxygénation de l'eau. Les résultats des surfaces d'interfaces air/eau générées et de perte de pression à travers les fentes permettent de comparer les performances en aération des quatre fentes testées. Les conditions de pressions plus élevées favorisent une surface d'interface plus grande. Une fente unique crée plus de surface d'interface et moins de perte de pression qu'une fente de surface équivalente avec trois ouvertures. Enfin, plus la surface d'injection est grande, et plus les capacités d'oxygénation sont meilleures. Les données expérimentales locales du nuage donnent des corrélations pour le taux de vide moyen, le diamètre de Sauter et la surface d'interface spécifique. L'ensemble des relations développées dans cette thèse sont applicables pour des écoulements diphasiques et peuvent s’avérer utiles aux simulations numériques, que ce soit du point de vue académique ou industriel.

Abstract

Aquatic biodiversity is reported to be negatively impacted by low dissolved oxygen (DO) levels downstream of hydropower dams. An efficient way to raise DO levels is to inject air through turbine blades. To comply with governmental recommendations, large amounts of air are required. It is crucial to fully understand the characteristics, behavior, and impact of air sheets injected into crossflows on two-phase exchange process. Rather than measuring DO levels in the water, this study emphasizes the variables that affect it, such as the Sauter diameter, the void fraction, and the air/water interfacial area. An examination of the literature reveals a scarcity of research on this kind of flow, particularly at high flow velocities and air flow rates. For the purposes of this thesis, experiments are conducted in a hydraulic loop at liquid velocities ranging from 1.25 to 6 m/s, air flow rates up to 0.05 m$^3$/s (volumetric title up to 15\%), and test section pressure ranging from 0.3 to 1 bar. A reference slot, a thicker slot, a shorter slot, and a triple slot are the four rectangular injectors evaluated here. First of all, a visualization study explains the behavior of the jet and its characteristics depending on the conditions of the two-phase flow and of the injection slot. The air sheet morphology highlights the existence of two main regions. The first is the jet region subjected to the injection momentum and the intensity of the crossflow. The second is the quasi-buoyancy region influenced mainly by the buoyancy effect and the flow. Each of these two zones is described by an equation as a function of relevant dimensionless numbers. The air sheet's separation from the lower wall corresponds to the transition zone between these two regions. This distance varies from slot to slot and is primarily determined by the flow rate. In comparison to air sheets from simple slots, those produced by the triple slot rise higher in the crossflow and separate from the lower wall much faster. To compare bubble plumes close to the injection, the impulsion height of the air sheet in the flow is a good parameter to use. The analysis of this impulse height under various conditions revealed that the critical factor for producing similar jets between two slots is the kinetic energy ratio of the two phases multiplied by the injection surface. The visualizations additionally reveal two symmetric counter-rotating vortices near the injection that grow along the test sections as the air sheet expands. Local bubble plume characteristics like void fraction, bubble speed, size, and frequency are measured using a double optical probe. These results confirm the presence of an air pocket attached to the injection slot, which acts as a solid obstacle to the crossflow and is encircled by a thin layer of two-phase mixture. The counter-rotating vortices affect how the bubbles are distributed, pushing the smaller ones towards their center while allowing the larger bubbles to escape and rise to the top of the test section. Smaller bubbles can be produced by either accelerating the flow or intensifying the vortices by injecting gas at a higher velocity. The quantity of air that is injected affects the pressure variation along the test section. Pressure sensors positioned throughout the two-phase flow allow the validation of the equation describing pressure variations along the flow to the experimental conditions and to the void fraction at a specific distance from the slot. Additionally, by using the upstream pressure, temperature, and downstream pressure, it is possible to predict the air mass flow rate that can be injected through a known surface slot. The amount of air and consequently oxygen that can be injected through turbine blades must be optimized using these equations. A good indicator of the aeration capabilities of the investigated slot geometries and conditions is the comparison between the generated air/water interfacial areas and the pressure loss through the slots. A larger air/water interfacial area is favored by a higher pressure in the test section. More interfacial surface and less pressure loss are produced by a single slot than by a similar surface slot with three openings. Finally, the oxygenation capacities improve with the size of the injection surface. Multiple correlations for the void fraction, Sauter diameter, and specific interfacial area are provided by this experimental study. All the relationships established in this thesis can be used in two-phase flow numerical simulations whether they are conducted for academic or industrial applications.