京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18590号 / 工博第3951号 / 新制||工||1607(附属図書館) / 31490 / 京都大学大学院工学研究科原子核工学専攻 / (主査)教授 功刀 資彰, 教授 中部 主敬, 准教授 横峯 健彦 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

An accurate measurement of bubbly flow has a significant value for understanding the bubble behavior, heat and energy transfer pattern in different engineering systems. It also helps to advance the theoretical model development in two-phase flow study. Due to the interaction between the gas and liquid phase, the flow patterns are complicated in recorded image data. The segmentation and reconstruction of overlapping bubbles in these images is a challenging task. This dissertation provides a complete set of image processing algorithms for bubbly flow measurement. The developed algorithm can deal with bubble overlapping issues and reconstruct bubble outline in 2D high speed images under a wide void fraction range. Key bubbly flow parameters such as void fraction, interfacial area concentration, bubble number density and velocity can be computed automatically after bubble segmentation. The time-averaged bubbly flow distributions are generated based on the extracted parameters for flow characteristic study. A 3D imaging system is developed for 3D bubble reconstruction. The proposed 3D reconstruction algorithm can restore the bubble shape in a time sequence for accurate flow visualization with minimum assumptions. The 3D reconstruction algorithm shows an error of less than 2% in volume measurement compared to the syringe reading. Finally, a new image synthesis framework called Bubble Generative Adversarial Networks (BubGAN) is proposed by combining the conventional image processing algorithm and deep learning technique. This framework aims to provide a generic benchmark tool for assessing the performance of the existed image processing algorithms with significant quality improvement in synthetic bubbly flow image generation. / Ph. D. / Bubbly flow phenomenon exists in a wide variety of systems, for example, nuclear reactor, heat exchanger, chemical bubble column and biological system. The accurate measurement of the bubble distribution can be helpful to understand the behaviors of these systems. Due to the complexity of the bubbly flow images, it is not practical to manually process and label these data for analysis. This dissertation developed a complete suite of image processing algorithms to process bubbly flow images. The proposed algorithms have the capability of segmenting 2D dense bubble images and reconstructing 3D bubble shape in coordinate with multiple camera systems. The bubbly flow patterns and characteristics are analyzed in this dissertation. Finally, a generic image processing benchmark tool called Bubble Generative Adversarial Networks (BubGAN) is proposed by combining the conventional image processing and deep learning techniques together. The BubGAN framework aims to bridge the gap between real bubbly images and synthetic images used for algorithm benchmark and algorithm.

Cette thèse vise à contribuer à la caractérisation, à l’aide de modélisation et d’expérience, de la dynamique de bulle en microfluidique. Deux régimes d’écoulements rencontrés en microfluidique sont étudiés, le régime bubbly flow et le régime Taylor flow. En particulier, la première partie de cette thèse traite de la dynamique d’un écoulement de type bubbly flow dans un microcanal rectiligne de section circulaire en présence de surfactants. Le code de calcul numérique JADIM est utilisé. Une méthode numérique permettant, d’une part, de simuler le transport de surfactants le long d’une interface qui bouge et qui se déforme, et d’autre part, de simuler l’effet Marangoni crée par une distribution inhomogène de ces surfactants sur cette interface, est implémentée et validée. Les simulations effectuées avec ce code concernant la dynamique d’un écoulement de type bubbly flow montrent par exemple que, le confinement créé par les parois du microcanal résulte en une distribution des surfactants sur la surface des bulles qui est fondamentalement différente d’une distribution rencontrée dans le cas d’une bulle qui se déplace dans un liquide de dimension infinie. En effet, les surfactants s’accumulent en des locations spécifiques sur la surface des bulles et créent des forces de Marangoni locale, qui influencent drastiquement la dynamique des bulles. Dans certains cas, les surfactants peuvent même engendrer une désintégration de la bulle, un mécanisme qui est rationalisé par un bilan de force à l’arrière de la bulle. La méthode numérique implémentée dans cette thèse est également utilisée pour un problème pratique concernant la production artisanale de Mezcal, une boisson alcoolisée produite au Méxique. La seconde partie de cette thèse traite de la dynamique d’un écoulement de type Taylor flow, à l’aide d’expérience et de modélisation. Une méthode expérimentale permettant de mesurer l’épaisseur du film de lubrification qui se forme entre une bulle de Taylor et les parois du microcanal est développée. Cette méthode requiert uniquement une image « brightfield » de la bulle. En plus de la mesure de l'epaisseur du film de lubrification, la méthode permet aussi de mesurer la profondeur du microcannal. Enfin, l'utilisation de la méthode proposée couplée à la mesure de la vitesse de translation de la bulle permet de déduire la tension de surface de celle-ci. Dans le dernier chapitre de cette thèse, l'influence des effets gravitaires sur la dynamique des écoulements de Taylor est quantifiée. Quoique souvent négligée en microfluidique, il est montré que les effets gravitaires peuvent avoir un impact significatif sur la dynamique des écoulements de Taylor. Ces impacts sont quantifiés à l'aide d'expériences et de modélisations. Ce travail a été réalisé à la Princeton University avec Professeur Howard A. Stone pendant un séjour de 7 mois. / This thesis aims at contributing to the characterization of the dynamics of bubbles in microfluidics through modeling and experiments. Two flow regimes encountered in microfluidics are studied, namely, the bubbly flow regime and the Taylor flow regime (or slug flow). In particular, the first part of this thesis focuses on the dynamics of a bubbly flow inside a horizontal, cylindrical microchannel in the presence of surfactants using numerical simulations. A numerical method allowing to simulate the transport of surfactants along a moving and deforming interface and the Marangoni stresses created by an inhomogeneous distribution of these surfactants on this interface is implemented in the Level set module of the research code. The simulations performed with this code regarding the dynamics of a bubbly flow give insights into the complexity of the coupling of the different phenomena controlling the dynamics of the studied system. Fo example it shows that the confinement imposed by the microchannel walls results in a significantly different distribution of surfactants on the bubble surface, when compared to a bubble rising in a liquid of infinite extent. Indeed, surfactants accumulate on specific locations on the bubble surface, and create local Marangoni stresses, that drastically influence the dynamics of the bubble. In some cases, the presence of surfactants can even cause the bubble to burst, a mechanism that is rationalized through a normal stress balance at the back of the bubble. The numerical method implemented in this thesis is also used for a practical problem, regarding the artisanal production of Mezcal, an alcoholic beverage from Mexico. The second part of the thesis deals with the dynamics of a Taylor flow regime, through experiments and analytical modeling. An experimental technique that allows to measure the thickness of the lubrication film forming between a pancake-like bubble and the microchannel wall is developed. The method requires only a single instantaneous bright-field image of a pancake-like bubble translating inside a microchannel. In addition to measuring the thickness of the lubrication film, the method also allows to measure the depth of a microchannel. Using the proposed method together with the measurment of the bubble velocity allows to infer the surface tension of the interface between the liquid and the gas. In the last chapter of this thesis, the effect of buoyancy on the dynamics of a Taylor flow is quantified. Though often neglected in microfluidics, it is shown that buoyancy effects can have a significant impact on the thickness of the lubrication film and consequently on the dynamics of the Taylor flow. These effects are quantified using experiments and analytical modeling. This work was performed at Princeton University with Professor Howard A. Stone during a seven month stay.

In this paper we present detailed Euler-Euler Large Eddy Simulations (LES) of dispersed bubbly flow in a rectangular bubble column. The motivation of this study is to investigate potential of this approach for the prediction of bubbly flows, in terms of mean quantities. The set of physical models describing the momentum exchange between the phases was chosen according to previous experiences of the authors. Experimental data, Euler-Lagrange LES and unsteady Euler-Euler Reynolds-Averaged Navier-Stokes model are used for comparison. It was found that the presented modelling combination provides good agreement with experimental data for the mean flow and liquid velocity fluctuations. The energy spectrum made from the resolved velocity from Euler-Euler LES is presented and discussed.

In this paper we present detailed Euler-Euler Large Eddy Simulations (LES) of dispersed bubbly flow in a rectangular bubble column. The motivation of this study is to investigate potential of this approach for the prediction of bubbly flows, in terms of mean quantities. The set of physical models describing the momentum exchange between the phases was chosen according to previous experiences of the authors. Experimental data, Euler-Lagrange LES and unsteady Euler-Euler Reynolds-Averaged Navier-Stokes model are used for comparison. It was found that the presented modelling combination provides good agreement with experimental data for the mean flow and liquid velocity fluctuations. The energy spectrum made from the resolved velocity from Euler-Euler LES is presented and discussed.

Measuring the liquid velocity and turbulence parameters in multiphase flows is a challenging task. In general, measurements based on optical methods are hindered by the presence of the gas phase. In the present work, it is shown that this leads to a sampling bias. Here, particle image velocimetry (PIV) is used to measure the liquid velocity and turbulence in a bubble column for different gas volume flow rates. As a result, passing bubbles lead to a significant sampling bias, which is evaluated by the mean liquid velocity and Reynolds stress tensor components. To overcome the sampling bias a window averaging procedure that waits a time depending on the locally distributed velocity information (hold processor) is derived. The procedure is demonstrated for an analytical test function. The PIV results obtained with the hold processor are reasonable for all values. By using the new procedure, reliable liquid velocity measurements in bubbly flows, which are vitally needed for CFD validation and modeling, are possible. In addition, the findings are general and can be applied to other flow situations and measuring techniques.

Cette thèse est consacrée aux écoulements homogènes de bulles, ainsi qu'à leur couplage avec le transport d'un scalaire et la turbulence. Elle s'intéresse plus spécifiquement aux effets de taille finie, des interactions hydrodynamiques et de la microstructure de la suspension qui sont étudiés à l'aide de simulations numériques directes à l'échelle d'une seule bulle. La dynamique d'une suspension laminaire de bulles induite par la seule gravité est d'abord revisitée. L'influence de la fraction volumique sur la vitesse de dérive des bulles est établie analytiquement et numériquement pour une suspension parfaitement ordonnée, puis des ressemblances entre suspensions ordonnées et suspensions désordonnées sont mises en évidence. Ces résultats sont ensuite mis à profit pour la modélisation du transport d'un scalaire passif au sein d'une suspension laminaire, tel que décrit par une diffusivité effective tensorielle, et des différences essentielles entre systèmes ordonnés et systèmes désordonnés concernant le transport de scalaire sont mises en exergue. Enfin, la turbulence est prise en compte dans les simulations et son interaction avec une bulle de taille finie est caractérisée. Il est montré que le comportement dynamique d'une bulle de taille comparable à la microéchelle de Taylor ressemble qualitativement à celui d'une microbulle, avec, notamment, une préférence pour certaines régions caractéristiques de l'écoulement. Une définition de l'écoulement vu par la bulle compatible avec les modèles standards de masse ajoutée et de portance est finalement proposée / This thesis is devoted to the study of homogeneous bubbly flows and their coupling with scalar transport and turbulence. It focuses on the effects of finite size, hydrodynamic interactions, and suspension microstructure, which are investigated using direct numerical simulations at the bubble scale. The dynamics of laminar buoyancy-driven bubbly suspensions is first revisited. More specifically, the effect of volume fraction on the bubble drift velocity is clarified by connecting numerical results to theory for dilute ordered systems, and similarities between perfectly ordered and free disordered suspensions are evidenced. These results are then used for the modeling of passive scalar transport in laminar suspensions as described by an effective diffusivity tensor, and crucial differences between ordered and disordered systems with respect to scalar transport are highlighted. Lastly, turbulence is included in the simulations, and its interaction with a finite-size bubble is characterized. The behavior of a bubble as large as Taylor microscale is shown to share a number of common features with that of a microbubble, most notably, the flow sampled by the bubble is biased. A definition of the liquid flow seen by the bubble, as it enters in usual models for the added mass and the lift forces, is finally proposed

In einem Verbundprojekt im Rahmen des Programms „Energie 2020+“ gefördert durch das BMBF koordiniert durch das HZDR arbeiteten 4 Universitäten, 2 Forschungszentren und ANSYS zusammen. Der vorliegende Bericht beschreibt die Arbeiten des HZDR, die im Zeitraum September 2009 bis Januar 2013 durchgeführt wurden. Das Vorhaben war auf die Entwicklung und Validierung von CFD-Modellen von unterkühltem Sieden bis zu Filmsieden gerichtet. Im Bericht werden die entwickelten und verwendeten Modelle dargestellt. Anhand der Nachanalyse von Experimenten wird auf die vorgeschlagene Kalibrierung der Modelle eingegangen. Wichtig ist hierbei eine genauere Beschreibung der Zwischenphasengrenzfläche, die durch Kopplung des Wandsiedemodells mit einem Populationsmodell erreicht werden kann. Anhand der Analyse von Bündelexperimenten konnte gezeigt werden, dass die gemessenen querschnittsgemittelten Messwerte mit einem Satz im Rahmen der Modellunsicherheiten kalibrierter Modellparameter reproduziert werden kann. Für die Berechnung der Verteilungsmuster des Dampfgehaltes im Kanalquerschnitt muss die Modellierung der Turbulenz beachtet werden. Die experimentellen Arbeiten waren auf die Untersuchung eines Brennelementbündels gerichtet. An einer Versuchsanordnung zu einem Brennelementbündel werden die turbulente einphasige Geschwindigkeit (PIV), der mittlere Gasgehalt (Gamma-Densitometrie) sowie der zeitlich und räumlich aufgelöste Gasgehalt (Hochgeschwindigkeits-Röntgentomographie) gemessen. Letztere Methode wurde in Rossendorf entwickelt.

The evolution of numerical methods and computational facilities allow re- searchers to explore complex physical phenomenons such as multiphase flows. The specific regime of incompressible, turbulent, bubbly two-phase flow (where a car- rier fluid is infused with bubbles or particles) is also receiving increased attention due to it’s appearance in major industrial processes. The main challenges arise from coupling individual aspects of the physics into a unified model and to provide a robust numerical framework. The presented work aimed at to achieve the second part by employing the most frequently used dispersed two-phase flow model and another incompressible, turbulent single phase solver as a base flow provider for coupled Lagrangian or surface tracking tools. Among the numerical techniques, the finite element method is a powerful can- didate when the need arises for multiphysics simulations (for example coupling with an electrochemical module) where the counterpart has a node based ap- proach. Stabilization schemes such as PSPG/SUPG/BULK provide remedies for the pressure decoupling and the inherent instability of the central discretization when applied for convective flow problems. As an alternative to unsteady solvers based upon an explicit or a fully im- plicit nonlinear treatment of the convective terms, a semi-implicit scheme results in a method of second order accurate in both space and time, has absolute linear stability and requires only a single or two linear system solution per time step. The application of the skew symmetric approach to the convective term further stabilizes the solution procedure and in some cases it even prevents divergence. The Eulerian-Eulerian two-phase flow model poses various issues to be over- come. The major difficulty is the density ratio between the phases; for an ordinary engineering problem it is in the order of thousands or more. The seemingly minus- cule differences in the formulation of the stabilizations can cause very different end results and require careful analysis. Volume fraction boundedness is of concern as well, but it is treatable by solving for its logarithm. Since the equations allow jumps (even separation of the phases) in the volume fraction field, discontinuity capturing techniques are also needed. Besides the standard ’spatial’ stabilization temporal smoothing is also necessary, otherwise the limitation in time step size becomes too stringent. Designing a flow solver is one side of the adventure, but verification is equally important. Comparison against analytical solution (such as the single and two- phase Taylor-Green testcase) provides insight and confirmation about the mathe- matical and physical properties. Meanwhile comparing with real life experiments prove the industrialization and usability of a code, dealing with low quality meshes and effective utilization of computer clusters. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique et de la morphologie de bulles non confinées dans des colonnes à bulles et de bulles confinées dans des microcanaux, ainsi que sur l'étude du transfert de matière entre une bulle sphérique confinée dans un microcanal et le liquide environnant. <p><p>Un dispositif expérimental d'imagerie et une méthode de posttraitement des images brutes ont été développés afin d'analyser la dynamique et la morphologie de bulles non confinées ayant une trajectoire non rectiligne de leur centre de masse en évitant les effets de perspectives et en déterminant un seuil pour la binarisation des images brutes sur base d'un critère bien défini. Ce dispositif expérimental et cette méthode de posttraitement des images brutes ont permis de générer des données relatives à la dynamique et la morphologie de bulles ellipsoïdales isolées et non confinées, pour des nombres d'Eötvös (Eo) et de Morton (Mo) de ces bulles tels que 0.8 < Eo < 8 et 10 <SUP>-11</SUP> < Mo < 10 <SUP>-7</SUP>. L'analyse de ces données a permis de cartographier la nature de la trajectoire d'une bulle et la présence d'une éventuelle oscillation de son interface en fonction de ses nombres d'Eötvös et de Morton. Les bulles ayant une trajectoire hélicoïdale sans oscillation de leur interface ont été sélectionnées afin de proposer des corrélations pour calculer l'amplitude et la fréquence de leur trajectoire en fonction de leurs nombres d'Eötvös et de Morton. Concernant les bulles ayant une trajectoire en zigzag ou hélicoïdale sans oscillation de leur interface, l'analyse des données a permis de montrer l'alignement entre le vecteur vitesse de leur centre de masse et leur petit axe. Les rayons de courbure de l'avant et l'arrière de l'interface de ces bulles ont été évalués. Pour les bulles ayant une trajectoire en zigzag, une corrélation a été établie pour calculer le rapport des rayons de courbure à l'avant et à l'arrière de leur interface en fonction de leurs nombres d'Eötvös et de Morton. Une pulsation dans la composante verticale du mouvement du centre de masse d'une bulle a été observée dans le cas d'une trajectoire en zigzag de la bulle et ce à une fréquence égale au double de celle de sa trajectoire. Une telle pulsation n'a pas pu être identifiée dans le cas d'une trajectoire hélicoïdale d'une bulle. <p><p>Concernant l'analyse de la dynamique de bulles sphériques confinées dans des microcanaux de sections carrée et circulaire, ainsi que du transfert de matière entre ces bulles et le liquide environnant, une méthode numérique a été développée dans laquelle deux conditons aux limites sont considérées sur l'interface liquide-gaz: une condition de contrainte tangentielle nulle et une condition de non glissement. Les résultats obtenus avec cette méthode ont permis de caractériser les champs de vitesse et de concentration autour des bulles considérées, et de montrer leurs interactions. Grâce à ces résultats, des corrélations ont été établies, dans ces microcanaux et pour ces deux conditions aux limites, pour calculer la vitesse des bulles et pour caractériser le transfert de matière entre ces bulles et le liquide en fonction des paramètres définissant le système. Sur base de ces corrélations et de bilans de matière et de quantité de mouvement, un modèle pour la dissolution de bulles le long de microcanaux de sections carrée et circulaire a été proposé, pour le régime bubbly flow, et comparé avec des données expérimentales disponibles dans la littérature. Ce modèle permet de prédire, pour une bulle se mouvant le long d'un microcanal de section carrée ou circulaire, les évolutions des pressions dans le liquide et le gaz, de son diamètre, de sa vitesse, de la concentration du gaz dissous dans le liquide, de la distance de séparation entre cette bulle et la bulle qui la suit et du coefficient de transfert de matière entre cette bulle et le liquide environnant.<p><p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished