Ascension de trains de bulles dans des fluides visqueux

Des trains de bulles réguliers sont réalisés de la même façon que les bulles isolées. L’injection est gérée par une électrovanne, contrôlée par un ordinateur, permettant de maîtriser la période d’injection et le volume. Ainsi, pour les différents fluides étudiés (à savoir HV45 35, 50, 60 et 80%) et pour différentes tailles de bulles (5, 7 et 10 mm de diamètre équivalent), des trains de bulles sont réalisés.

Avant toute mesure, on attend 5 minutes pour atteindre le régime permanent pour s’assurer ainsi d’un train régulier. Le paramètre sur lequel nous allons jouer est la distance entre deux bulles (celle-ci est directement contrôlée par le temps d’injection entre deux bulles) et est défini sur la figure II.40.

Figure II.40. Ascension d’un train de bulles de 200× 10^-9 m³ dans du HV45 65%, vitesse

ascensionnelle de 0,07 m/s, écart entre les bulles de 90 mm. Re =1.

Pour différentes distances d entre deux bulles dans un fluide donné, nous avons mesuré le

champ de vitesse autour du train ascendant par PIV et la vitesse des bulles en ascension ainsi que leur forme au moyen d’une caméra rapide. Ces deux informations, comparées à celles obtenues dans le cas d’une bulle isolée, nous renseigneront sur les différentes interactions

d :distance entre deux bulles

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II.3.4. Champs de vitesse autour de bulles en interaction par PIV

Le montage expérimental de la PIV permet de mesurer le champ de vitesse d’un train de bulles en continu. Nous nous intéressons plus particulièrement à la modification du champ de vitesse lors de l’approche de deux bulles au sein d’un train jusqu'à leur coalescence de celles-ci dans des solutions visqueuses. Les différentes séquences montrent une grande similitude et reproductibilité dans le mécanisme d’approche. Deux d’entre elles ont été choisies. La

première séquence a lieu dans une solution de HV45 65% pour des bulles de 300×10-9 m3 au

sein d’un train régulier. Les champs de vitesses ainsi que le contour de la bulle superposée sont représentés sur les figures II.41 à II.48. Cette séquence montre clairement la modification du champ de vitesse lorsque les bulles encore éloignées se rapprochent, ainsi que son incidence sur la forme des bulles.

• Distance entre deux bulles (d) > 100 mm. Vitesse ascensionnelle de 0,09 m/s

Figure II.41. Train de bulles en ascension dans du HV45 65%, pour des bulles de

volume 300×10^-9 m³ (diamètre équivalent des bulles de 8 mm) Distance entre deux bulles consécutives de 120 mm. Re =1,26. T = 1,33 s.

Comme dans le cas de l’ascension d’une bulle isolée, le train de bulles ainsi que le champ de vecteurs vitesses autour des bulles sont axisymétriques. Le champ de vitesse est entièrement déterminé par sa mesure dans le plan contenant l’axe de symétrie. Dans ce cas précis, la distance entre les deux bulles est tellement grande qu’il n’y a pas d’interaction entre deux bulles successives comme le montre la figure II.42.

Figure II.XX.

Figure II.42. Intensité des vitesses et lignes de courant pour des train de bulles en ascension

dans du HV45 65%, pour des bulles de volume 300×10^-9 m³ (diamètre équivalent des bulle de 8 mm) Distance entre deux bulles consécutives de 120 mm. Re =1,26. La longueur des sillages primaire et secondaire est reportée sur la figure de gauche.

La mesure des vitesses dans la zone située entre les deux bulles est nulle en son centre, il n’y a pas de contact entre le sillage de la bulle supérieure et le front de la bulle inférieure. Les bulles se comportent comme si elles étaient isolées les unes des autres. La distance entre celles-ci est trop grande pour qu’il puisse y avoir des interactions. De plus, on peut noter également le très faible renouvellement du fluide autour du train. Cette absence de recirculation globale de fluide dans la colonne transcrit, du point de vu du procédé, un très mauvais transfert de matière du fluide.

En augmentant la période d’injection de l’électrovanne, on diminue la distance entre les bulles au sein du train régulier.

Sillage I Sillage II

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• Distance entre deux bulles d = 80 mm. Vitesse ascensionnelle de 0,09 m/s

En diminuant la distance entre les bulles au sein du train régulier, on obtient le champ de vitesses représenté sur la figure II.43.

• •

Figure II.43. Train de bulles en ascension dans du HV45 65%, pour des bulles de volume

300×10^-9 m³ (diamètre équivalent des bulles de 8 mm). Champs de vecteur vitesse à gauche et intensité des vitesses et ligne de courant à gauche. Distance entre deux bulles consécutives de 80 mm. Re =1,26. T = 0,9 s.

Contrairement au champ de vitesses précédent, la fin du sillage de la bulle précédente et le commencement du front de la bulle inférieure se superposent. Mais ces zones correspondent à des zones d’intensité de vitesse secondaire et n’ont aucun impact sur la vitesse des bulles dans le train. L’interaction n’est pas suffisante pour influencer la vitesse des bulles.

Il est à noter que la forme reste inchangée par rapport à une bulle isolée et que la recirculation globale commence à s’effectuer au sein de la colonne de fluide.

• Distance entre deux bulles d = 70 mm. Vitesse ascensionnelle de 0,09 m/s En diminuant encore la distance entre les bulles au sein du train régulier, on obtient le champ de vitesse représenté sur la figure II.44.

• • • • • • • •

Figure II.44. Train de bulles en ascension dans du HV45 65%, pour des bulles de volume

300×10^-9 m³ (diamètre équivalent des bulles de 8 mm). Champ de vecteur vitesse à gauche et intensité des vitesses et ligne de courant à gauche. Distance entre deux bulles consécutives de 70 mm. Re =1,26. T = 0,8 s.

A ce stade du rapprochement, les deux zones (sillage de la bulle supérieure et front de la bulle inférieure) secondaires sont superposées et les zones primaires sont pratiquement en contact. Cependant, ni la vitesse, ni la forme de la bulle sont affectées. Il semblerait donc que la superposition des zones de champs de vitesse secondaires n’ait pas d’impact sur les bulles. Il convient donc diminuer encore la distance pour arriver à une superposition du sillage primaire et du front de la bulle pour voir évoluer la vitesse ou la forme de la bulle.

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• Distance entre deux bulles d = 60 mm. Vitesse ascensionnelle de 0,11 m/s.

A partir de cette distance entre deux bulles consécutives, on observe une accélération des bulles. La vitesse passe de 0,09 m/s à 0,11 m/s. On observe également une déformation des bulles, qui deviennent plus allongées. Le champ de vitesse et les lignes de courant sont représentés sur la figure II.45.

Figure II.45. Train de bulles en ascension dans du HV45 65%, pour des bulles de volume

300×10^-9 m³ (diamètre équivalent des bulles de 8 mm). Champ de vecteur vitesse à gauche et intensité des vitesses et ligne de courant à gauche. Distance entre deux bulles consécutives de 60 mm. Re =1,54. T = 0,55 s.

Cette figure nous permet d’observer le début du recouvrement du sillage primaire de la bulle supérieure et du front de la bulle inférieur conduisant à une augmentation de la vitesse de la bulle. Il existe donc une distance mesurable à partir de laquelle les interactions entre les bulles apparaissent et influencent tant la forme que la vitesse des bulles.

• Distance entre deux bulles d = 50 mm. Vitesse ascensionnelle de 0,14 m/s. En diminuant encore la distance entre les bulles au sein du train régulier, on obtient le champ de vitesse représenté sur la figure II.46.

Figure II.46. Train de bulles en ascension dans du HV45 65%, pour des bulles de volume

300×10^-9 m³ (diamètre équivalent des bulles de 8 mm). Champ de vecteur vitesse à gauche et intensité des vitesses et ligne de courant à gauche. Distance entre deux bulles consécutives de 50 mm. Re =1,96. T = 0,35 s.

La vitesse de la bulle augmente cette fois de 0,11 m/s à 0,14 m/s. Le recouvrement du sillage primaire et du front devient de plus en plus important. Cependant, on observe toujours une vitesse plus grande dans le haut de cette zone d’écart entre les bulles. L’excentricité (L/H) des bulles diminue encore et les bulles s’allongent davantage (H augmente).

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• Distance entre deux bulles d = 40 mm. Vitesse ascensionnelle de 0,17 m/s.

En diminuant encore la distance entre les bulles au sein du train régulier, on obtient le champ de vitesse représenté sur la figure II.47.

Figure II.47. Train de bulles en ascension dans du HV45 65%, pour des bulles de volume

300×10^-9 m³ (diamètre équivalent des bulles de 8 mm). Champ de vecteur vitesse à gauche et intensité des vitesses et ligne de courant à gauche. Distance entre deux bulles consécutives de 40 mm. Re =2,38. T = 0,25 s.

Comme le montre la figure II.47, le sillage et le front sont quasiment confondus. Les bulles sont de plus en plus étirées et la vitesse de la bulle augmente encore jusqu'à 0,17 m/s.

• Distance entre deux bulles d = 30 mm. Vitesse ascensionnelle de 0,19 m/s. On observe sur la figure II.48 un recouvrement total du front et du sillage. On ne peut plus distinguer le sillage de la première bulle du front de la seconde, ils ne forment plus qu’une seule zone.

• < 0.1s

Figure II.48. Train de bulles en ascension dans du HV45 65%, pour des bulles de volume

300×10^-9 m³ (diamètre équivalent des bulles de 8 mm). Champ de vecteur vitesse à gauche et intensité des vitesses et ligne de courant à droite. Distance entre deux bulles consécutives de 30 mm. Re =2,66. T = 0,15 s.

La bulle atteint dans ce cas une vitesse de 0,19 m/s soit plus du double de sa vitesse initiale en l’absence d’interaction. Ceci peut s’expliquer par le fait que le sillage et le front soient totalement recouverts. La forme de la bulle est encore plus étirée, son excentricité est quasiment divisée par deux comparée à celle obtenue en absence d’interaction. La recirculation globale est très importante et traduit un transfert de matière bien plus important au sein de la colonne. A ce stade, le train de bulles régulier atteint un état critique.

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• d<25 mm - Vitesses ascensionnelles de bulles supérieures à 0,2 m/s

Si on diminue encore la distance entre deux bulles consécutives, on atteint une certaine limite critique de la distance à partir de laquelle le train perd son caractère régulier et de nombreux effets de coalescence apparaissent. Les interactions entre les deux bulles sont tellement fortes qu’une des bulles inférieures rattrape la bulle précédente et finit par coalescer avec la bulle qui la précède comme le montre la figure II.49.

Figure II.49. Coalescence en ligne dans un train de bulles de 200×10^-9 m³ lorsque la distance

critique est atteinte.

Cette coalescence va avoir pour effet de former des bulles plus grosses qui se déplaceront donc à des vitesses plus grandes et qui engendreront de ce fait des effets de coalescence chaotique au sein du train de bulles.

Nous constatons donc que des interactions entre bulles sont obtenues lorsque celles-ci sont suffisamment proches et qu’elles sont d’autant plus importantes que la distance séparant les bulles est faible. On observe en effet ces interactions grâce aux variations de l'intensité des vecteurs vitesse. Pour une période d’injection élevée (distance entre deux bulles élevée), on voit que les 2 bulles successives ont un comportement proche de celui des bulles isolées car on distingue une séparation nette entre le sillage de la première bulle et le front de la deuxième. Cette séparation est représentée par une zone bleue correspondant à de très faibles vecteurs vitesses donc à de très faibles interactions. Ensuite, plus on diminue la période d’injection, plus les bulles sont proches l’une de l’autre et plus cette séparation disparaît. On observe en effet une augmentation progressive de la vitesse du liquide entre les deux bulles, et ce jusqu'à la coalescence des bulles. Ces interactions ont donc un effet sur la vitesse de la bulle mais aussi sur sa forme.