Caractérisation de l'impact de bulles d'air sur des fibres optiques dans un écoulement d'eau

Les écoulements diphasiques air-eau sont présents dans de nombreuses applications industrielles. Leur étude revêt une importance majeure pour optimiser les procédés industriels, améliorer leur efficacité énergétique et prévenir les risques associés. Dans le cadre de plusieurs recherches visant à optimiser l’injection d’air à l’aide de turbines d’aération réalisées à Polytechnique Montréal, des sondes optiques sont utilisées comme indicateurs de phase et comme moyen de mesurer les vitesses et les tailles de la phase dispersée. Toutefois, les connaissances sur cette méthode de mesure sont limitées aux quelques travaux réalisés avec des bulles en eau stagnante, notamment en ce qui concerne l’influence de cette méthode de mesure intrusive sur les caractéristiques des bulles mesurées en écoulement. Pour mieux comprendre cette méthode de mesure, nous avons élaboré un montage expérimental qui permet de générer des bulles d’air distinctes dans un écoulement ascendant d’eau à des vitesses variées et de les impacter avec deux sondes optiques d'orientations différentes. Le déplacement et l’impact des bulles ont également été filmés par un système de visionnement stéréoscopique employant une caméra rapide et des miroirs. Nous avons étudié plus de 1100 bulles différentes, de diamètres équivalents variant entre 1 et 9 mm, et de vitesses comprises entre 0.1 et 3 m/s. Les images capturées sont post-traitées grâce à un logiciel que nous avons créé, permettant une reconstruction 3D des bulles et l’extraction de leurs paramètres, notamment le diamètre équivalent et la vitesse 3D du centre de masse. En nous appuyant sur de nombreuses études testant la fiabilité de ces reconstructions, nous avons considéré les mesures de la caméra comme étant la référence à laquelle nous comparerons les données de la sonde. En outre, les différents signaux des sondes sont analysés et assimilés à des créneaux trapézoïdaux pour en extraire les paramètres pertinents. À travers une analyse comparative des résultats, nous avons pu suggérer l’utilisation d'une méthode de calcul de vitesses présentant le moins d’erreurs. De plus, nous avons proposé une corrélation entre la longueur de la corde mesurée par la sonde (L_(c,s)) et le diamètre équivalent de la bulle (D_eq). Cela est important, car, à partir des données extraites par une mesure intrusive (sonde), nous sommes capables de déduire des paramètres qui ne sont accessibles qu’avec une caméra rapide. Principalement, nous avons observé que la longueur de corde mesurée par la sonde serait une réflexion du diamètre équivalent à mesure que la vitesse de la bulle mesurée par la sonde 〖(v〗_(b,s)) augmente. Nous avons également proposé une piste supplémentaire qui relie (L_(c,s)) et (D_eq) à la position d’impact de la bulle. De plus, nous avons trouvé que le temps de montée du signal de la sonde nous renseigne sur l’angle d’impact des bulles, ce qui aiderait à corriger la vitesse mesurée, à condition que cet angle soit inférieur à 30 degrés. Finalement, nous avons aussi abordé le principe de mesure par monosonde employant une fibre optique unique et le principe de longueur de latence, qui stipule que le produit du temps de montée 〖(T〗_m) et de la vitesse de la bulle (v_(b,s)) reste constant. Nous en concluons qu’en calibrant une fibre au préalable, il est possible de réaliser des mesures de vitesse avec une monosonde. Les analyses détaillées de tous les résultats sont présentées dans ce mémoire.

Abstract

Air-water two-phase flows are prevalent in many industrial applications, making their study crucial for optimizing industrial processes, enhancing energy efficiency, and mitigating associated risks. At Polytechnique Montréal, research aiming to optimize air injection via aeration turbines utilizes optical probes to measure the velocities and sizes of dispersed air bubbles. However, the knowledge regarding this intrusive measurement technique is limited, particularly concerning its influence on bubble characteristics in flowing water. To address this, we developed an experimental setup that generates distinct air bubbles in an upward water flow at various velocities and measures them using two differently oriented optical probes. The bubbles' motion and impact were also recorded using a high-speed camera and a stereoscopic viewing system with mirrors. We analyzed over 1100 bubbles with equivalent diameters ranging from 1 to 9 mm and velocities between 0.1 and 3 m/s. Our custom software enabled the post-processing of captured images to achieve 3D reconstruction of the bubbles and extract key parameters like equivalent diameter and 3D center-of-mass velocity. We used camera measurements as the reference standard to evaluate the accuracy of the probe data. Probe signals were analyzed and interpreted as trapezoidal pulses to derive relevant bubble characteristics. Through comparative analysis, we identified a velocity calculation method with minimal errors and established a correlation between the chord length measured by the probe (L_(c,s)) and the bubble’s equivalent diameter (D_eq). This correlation is significant because it allows the derivation of parameters typically accessible only with a high-speed camera from intrusive probe measurements. Notably, the chord length measured by the probe was found to correspond to the equivalent diameter as the measured bubble velocity (v_(b,s)) increased. We also proposed a relationship between (L_(c,s)), 〖(D〗_eq), and the bubble’s impact position. Additionally, we discovered that the probe signal’s rise time provides insights into the bubble impact angle, which can be used to correct the measured velocity if the angle is less than 30 degrees. We also explored the single-probe measurement principle using an optical fiber and the latency length principle, which posits that the product of rise time (T_m) and bubble velocity (v_(b,s)) remains constant. Our findings suggest that pre-calibrating a fiber enables accurate velocity measurements with a single probe. Detailed analyses of all results are presented in this thesis.