Modélisation numérique des écoulements diphasiques dispersés

Les écoulements diphasiques à bulles sont largement rencontrés dans de nombreuses applications industrielles, à l'instar du transfert de masse (turbines aérantes), du transfert de chaleur (générateurs de vapeur), des réactions chimiques (ozonation dans le traitement des eaux usées). La mécanique des fluides numérique est un outil essentiel pour concevoir des systèmes industriels efficaces. La compréhension de la dynamique des nuages de bulles est essentielle pour développer des outils numériques précis. Cependant, en raison de la complexité des configurations diphasiques, de nombreux phénomènes diphasiques restent totalement ou partiellement non résolus. En particulier, la modélisation de la physique des phénomènes à l'origine du mélange des bulles dans une matrice liquide reste un défi majeur. L'une des faiblesses de la plupart des modèles existants d'écoulement diphasique est due au traitement incomplet de la dispersion des bulles. En effet, la dispersion peut découler de nombreux phénomènes complexes, tels que la turbulence, la distribution de pression locale et les interactions entre bulles. Cette thèse porte sur l'étude des effets de la masse ajoutée sur la dispersion des bulles. La contribution de la force de masse ajoutée dans la dispersion est quantifiée par le développement de la force de Meshchersky. Cette dernière est une conséquence naturelle de la variation de la masse ajoutée. Nous avons comparé nos calculs numériques aux données expérimentales obtenues pour une colonne à bulles. Nous avons observé l'effet dispersif de la force de Meshchersky dans les deux directions horizontale et transversale. De plus, nous avons constaté que la force de Meshchersky contribue à l'arrangement de bulles sur des plans horizontaux parallèles. Ce comportement a été observé dans des applications industrielles et des études expérimentales. Par contre la physique responsable de ce mécanisme n'est pas encore complètement identifiée. Nous avons constaté que pour l'approche Euler-Euler, l'effet de masse ajoutée sur la dispersion des bulles est encore incomplet en raison de la perte d'informations provenant du processus du calcul de la moyenne des équations de conservation. En effet, pour bien saisir la dispersion dans la description eulérienne, nous devons prendre en compte la distribution locale des bulles. Cela est possible en incluant l'effet du gradient de taux de vide dans la modélisation de la masse ajoutée. Dans ce contexte, nous proposons un modèle complet de masse ajoutée, qui inclut la distribution locale des bulles via le gradient de taux de vide. Le gradient de taux de vide permet de prendre en compte l'asymétrie du nuage de bulles autour d'une bulle de référence. Cependant, ce modèle ne peut représenter que des nuages de bulles réguliers. Cette méthodologie permet une prise en compte plus cohérente des effets de masse ajoutée ainsi que des forces de Meshchersky, qui devraient être incluses dans les modèles hydrodynamiques des écoulements diphasiques dispersés. L'approche proposée peut être mise en oeuvre dans un modèle Euler-Euler destiné à prendre en compte la dispersion des bulles induite par l'effet de la masse ajoutée.

Abstract

Bubbly two-phase flows are largely encountered in many industrial applications, amongst others for mass transfer (aerating turbines), heat transfer (steam generators) and chemical reaction (ozonation in wastewater treatment). Computational fluid dynamics is an essential tool to design efficient industrial systems. The understanding of the mechanics of the bubble cloud dynamics is essential in order to develop accurate numerical tools. However, due to the complexity of its configurations, many complex two-phase flow phenomena have not been explained or are partially resolved questions. In particular, modeling the physics of the phenomena driving the mixing of bubbles in a liquid matrix is still a major challenge. One of the weaknesses of most existing two-phase flow models are due to the incomplete handling of bubble dispersion mechanisms. In fact, dispersion can be driven by numerous complex phenomena, such as turbulence, local pressure conditions and bubble-bubble interactions. This thesis is devoted to the study of the effect of added mass on the dispersion of bubbles. In the Euler-Lagrange modeling, the contribution of the added mass force in bubbly flow dispersion is quantified by the development of a new force. This force is a consequence of the added mass variation. We called it the Meshchersky force. For the Euler-Euler model, we compared our numerical calculations to experimental data from a bubble column. We observed the dispersive effect of the Meshchersky force on both horizontal and transverse directions. In addition, we have found that the Meshchersky force is one of the mechanisms responsible for horizontal bubble clustering. This type of behavior has been encountered in several industrial applications and experimental studies. Nevertheless, the physics responsible for it is not yet fully understood. However, the added mass effect on the void fraction spreading is still incomplete because of the loss of information from the averaging process of conservation equations. Indeed, in order to properly capture the dispersion in the Eulerian description, we must take into account the distribution of the bubbles. This is possible by including the effect of the void fraction gradient in the added mass modeling. In this context, we propose a complete added mass model, which includes local bubble configuration via the void fraction gradient. The void fraction gradient allows us to account for the asymmetry of the bubble cloud around a single central bubble. However, this model can only represent regular bubble clouds. This methodology results in a more consistent consideration of the added mass effects as well as the Meshchersky force, that should be included in hydrodynamic two-phase flow models. The proposed approach can be implemented in an Euler-Euler model intended to consider the dispersion of bubbles caused by the effect of added mass.