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.