L'objet de cette étude est de mieux formaliser et modéliser de façon générique le processus de structuration d'un produit par le procédé de foisonnement, en reliant les paramètres opératoires aux propriétés des mousses formées et de contribuer ainsi à un meilleur pilotage de l'opération. Une ligne de foisonnement par battage en continu a été instrumentée et l'évolution du diamètre des bulles en fonction des paramètres du produit et du procédé a été suivie pour des milieux modèles newtoniens et rhéofluidifiants. L'analyse dimensionnelle à l'échelle du procédé a permis d'aboutir à un modèle physique de l'opération, et donc d'avoir une compréhension des phénomènes en présence. Elle a aussi permis d'intégrer les paramètres du produit et du procédé et de simplifier la représentation des résultats expérimentaux. Enfin, la cohérence de ce modèle avec d'autres issus de la littérature et une première approche de validation avec un produit réel, semble justifier son caractère générique.

Lors du fonctionnement d'une installation hydraulique, l'apparition de zone de cavitation dans l'écoulement peut entraîner un endommagement important sur la surface des matériaux. La quantification de l'intensité de cavitation sur les composants hydrauliques serait utile à la fois pour mieux concevoir les nouveaux équipements en projet, mais aussi pour améliorer la conduite et optimiser la maintenance des matériels existants. Au vu du grand nombre de paramètres régissant les écoulements cavitants, l'élaboration de lois de similitudes universelles à partir d'expériences est délicate. Avec l'augmentation des moyens de calculs, la simulation numérique est un outil pour étudier ce phénomène sur des géométries variées. La principale difficulté de cette démarche réside dans la différence d'échelles existant entre les simulations numériques U-RANS servant à simuler l'écoulement cavitant et les mécanismes d'implosion de bulles jugés responsables de l'endommagement sur le solide. La méthode proposée dans ce manuscrit s'appuie sur un post-traitement des simulations U-RANS afin de caractériser une distribution de bulles et de simuler leurs comportements à de plus petites échelles spatiales et temporelles. Dans un premier temps, notre travail consiste à expliciter les équations locales de conservation de masse, de quantité de mouvement et d'énergie pour un écoulement liquide/gaz comprenant deux espèces eau/air. Ce travail mène à l'élaboration de grandeurs de mélange prenant notamment en compte la présence de gaz incondensables au sein du fluide. Des hypothèses permettent de rendre ce système équivalent à ceux, utilisant une approche homogène, implémentés dans les codes de simulations d'écoulements cavitants instationnaires développés précédemment au laboratoire. La caractérisation des populations de bulles effectuée par le post-traitement prend ainsi en considération à la fois la tension superficielle et la présence de gaz incondensables. Dans un deuxième temps, l'élaboration d'un code de calcul permettant la simulation de la dynamique d'un nuage de bulles est débutée. Ce dernier a pour ambition de tenir compte à la fois des interactions entre les bulles et des déformations non sphériques que celles-ci peuvent subir à l'aide d'une méthode potentielle. Des premiers résultats de simulations sont présentés dans ce manuscrit et permettent de tenir compte de faibles déformations des bulles. La dernière étape de ce travail consiste à proposer une méthode de chaînage entre ces deux échelles en initialisant le calcul de dynamique de bulles à l'aide des résultats du calcul U-RANS. L'énergie émise lors de l'implosion des bulles et impactant la surface solide est ainsi calculée, caractérisant de ce fait le chargement imposé par l'écoulement sur le matériau. Cette méthode est par la suite appliquée sur différentes géométries en comparant à chaque fois les résultats obtenus à des expériences. Nous comparons également nos résultats à des méthodes précédemment établies au sein du laboratoire afin d'évaluer la pertinence de cette approche. / During the life's cycle of a hydraulic installation, the occurrence of cavitation can cause significant damages on the material's surface. The quantification of the cavitation intensity in different geometry can be useful to get better designs for new installations, but also to improve the operating and to optimize maintenance of existing equipments. The development of universal laws of similarity from experiments is difficult due to the large number of parameters governing cavitating flows. With the increase of computational performance, numerical simulations offer the opportunity to study this phenomenon in various geometries. The main difficulty of this approach is the scale's difference existing between the numerical simulations U-RANS used to calculate the cavitating flow and mechanisms of bubble's collapse held responsible for damages on the solid. The proposed method in this thesis is based on a textbf{post-treatment} of the textbf{U-RANS} simulations to characterize a distribution of bubbles and to simulate their behavior at lower spatial and temporal scales. Our first objective is to make explicit a system of equations corresponding to phenomena occurring locally in the two-phase flow. This work leads to the development of mixture variables taking into account the presence of non-condensable gases in the fluid. Assumptions are taken to make the system, after using the Reynolds averaging procedure, equivalent to those, using a homogeneous approach, implemented in the unsteady cavitating flows solvers previously developed in the laboratory. The characterization of bubbles made by this post-treatment takes into account both the surface tension and the presence of non-condensable gases. The development of a solver for the simulation of the dynamic of a bubble cloud is started. It aims to take into account both the interactions between bubbles and non-spherical deformations with a potential method. First results of these simulations are presented and small non-spherical deformations occurring during the collapse can be observed. Finally, we propose a chained method between these two systems initializing the bubble dynamic solver with results of U-RANS simulations. The energy emitted during the implosion of bubbles impacting the solid surface is calculated. So the aggressiveness of the flow on the material can be characterized. We apply this method on different flows to compare numerical and experimental results.

Thèse (D.Eng.)--Université du Québec à Chicoutimi, 2000. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Lors du fonctionnement d'une installation hydraulique, l'apparition de zone de cavitation dans l'écoulement peut entraîner un endommagement important sur la surface des matériaux. La quantification de l'intensité de cavitation sur les composants hydrauliques serait utile à la fois pour mieux concevoir les nouveaux équipements en projet, mais aussi pour améliorer la conduite et optimiser la maintenance des matériels existants. Au vu du grand nombre de paramètres régissant les écoulements cavitants, l'élaboration de lois de similitudes universelles à partir d'expériences est délicate. Avec l'augmentation des moyens de calculs, la simulation numérique est un outil pour étudier ce phénomène sur des géométries variées. La principale difficulté de cette démarche réside dans la différence d'échelles existant entre les simulations numériques U-RANS servant à simuler l'écoulement cavitant et les mécanismes d'implosion de bulles jugés responsables de l'endommagement sur le solide. La méthode proposée dans ce manuscrit s'appuie sur un post-traitement des simulations U-RANS afin de caractériser une distribution de bulles et de simuler leurs comportements à de plus petites échelles spatiales et temporelles. Dans un premier temps, notre travail consiste à expliciter les équations locales de conservation de masse, de quantité de mouvement et d'énergie pour un écoulement liquide/gaz comprenant deux espèces eau/air. Ce travail mène à l'élaboration de grandeurs de mélange prenant notamment en compte la présence de gaz incondensables au sein du fluide. Des hypothèses permettent de rendre ce système équivalent à ceux, utilisant une approche homogène, implémentés dans les codes de simulations d'écoulements cavitants instationnaires développés précédemment au laboratoire. La caractérisation des populations de bulles effectuée par le post-traitement prend ainsi en considération à la fois la tension superficielle et la présence de gaz incondensables. Dans un deuxième temps, l'élaboration d'un code de calcul permettant la simulation de la dynamique d'un nuage de bulles est débutée. Ce dernier a pour ambition de tenir compte à la fois des interactions entre les bulles et des déformations non sphériques que celles-ci peuvent subir à l'aide d'une méthode potentielle. Des premiers résultats de simulations sont présentés dans ce manuscrit et permettent de tenir compte de faibles déformations des bulles. La dernière étape de ce travail consiste à proposer une méthode de chaînage entre ces deux échelles en initialisant le calcul de dynamique de bulles à l'aide des résultats du calcul U-RANS. L'énergie émise lors de l'implosion des bulles et impactant la surface solide est ainsi calculée, caractérisant de ce fait le chargement imposé par l'écoulement sur le matériau. Cette méthode est par la suite appliquée sur différentes géométries en comparant à chaque fois les résultats obtenus à des expériences. Nous comparons également nos résultats à des méthodes précédemment établies au sein du laboratoire afin d'évaluer la pertinence de cette approche. / During the life's cycle of a hydraulic installation, the occurrence of cavitation can cause significant damages on the material's surface. The quantification of the cavitation intensity in different geometry can be useful to get better designs for new installations, but also to improve the operating and to optimize maintenance of existing equipments. The development of universal laws of similarity from experiments is difficult due to the large number of parameters governing cavitating flows. With the increase of computational performance, numerical simulations offer the opportunity to study this phenomenon in various geometries. The main difficulty of this approach is the scale's difference existing between the numerical simulations U-RANS used to calculate the cavitating flow and mechanisms of bubble's collapse held responsible for damages on the solid. The proposed method in this thesis is based on a textbf{post-treatment} of the textbf{U-RANS} simulations to characterize a distribution of bubbles and to simulate their behavior at lower spatial and temporal scales. Our first objective is to make explicit a system of equations corresponding to phenomena occurring locally in the two-phase flow. This work leads to the development of mixture variables taking into account the presence of non-condensable gases in the fluid. Assumptions are taken to make the system, after using the Reynolds averaging procedure, equivalent to those, using a homogeneous approach, implemented in the unsteady cavitating flows solvers previously developed in the laboratory. The characterization of bubbles made by this post-treatment takes into account both the surface tension and the presence of non-condensable gases. The development of a solver for the simulation of the dynamic of a bubble cloud is started. It aims to take into account both the interactions between bubbles and non-spherical deformations with a potential method. First results of these simulations are presented and small non-spherical deformations occurring during the collapse can be observed. Finally, we propose a chained method between these two systems initializing the bubble dynamic solver with results of U-RANS simulations. The energy emitted during the implosion of bubbles impacting the solid surface is calculated. So the aggressiveness of the flow on the material can be characterized. We apply this method on different flows to compare numerical and experimental results.

Les liquides sont capables, comme les solides, de supporter des forces de traction. Ils sont alors à pression négative (c'est-à-dire en tension), dans un état qui est métastable. Le retour vers un état stable à pression positive peut se faire par la nucléation d'une bulle, un processus appelé cavitation. Dans cette thèse nous nous intéressons aux propriétés de la cavitation en milieu confiné, avec un accent particulier sur la dynamique des bulles. Ce sujet est motivé par l'étude du transport de l'eau dans les arbres dont une partie (la sève montante) se fait sous tension, dans des canaux micrométriques. La cavitation entraîne alors l'embolie des éléments conducteurs de sève, c'est-à-dire leur remplissage par du gaz. Une grande partie du manuscrit est consacrée à l'étude de la cavitation dans un milieu modèle, où de l'eau est confinée dans des inclusions sphériques micrométriques au sein d'un hydrogel. L'évaporation passive de l'eau à travers le gel permet de générer des pressions négatives, et la cavitation peut se produire spontanément ou être déclenchée à l'aide d'un laser. Nous résolvons la dynamique subséquente de la bulle à l'aide de diverses méthodes (caméra time-lapse ou caméra rapide, diffusion de la lumière, strobophotographie laser ...) et montrons qu'après une séquence inertielle ultra-rapide, la bulle atteint un état d'équilibre temporaire, puis grossit de manière quasi-statique sous l'effet des flux d'eau dans l'hydrogel, provoquant "l'embolie" de l'inclusion. Une place importante est accordée à un chapitre de théorie qui explore d'une part les propriétés thermodynamiques d'un liquide confiné à pression négative, et d'autre part la dynamique aux temps courts de bulles de cavitation dans de tels systèmes. Nous proposons ainsi une équation de Rayleigh-Plesset modifiée qui rend compte de l'accélération importante des oscillations radiales des bulles que nous avons observée expérimentalement. La compressibilité du liquide et l'élasticité du confinement sont des éléments-clés de ce modèle. Enfin, nous discutons l'application des résultats précédents dans le contexte des arbres, tout en proposant une nouvelle méthode expérimentale qui permet un suivi optique du processus d'embolie. Nous présentons quelques résultats obtenus sur des échantillons de pin sylvestre. / Liquids can sustain traction forces, as solids do. In this case, they are at negative pressure (that is, under tension), in a metastable state. Nucleation of a bubble can occur, leading the system back to a stable state : this process is called cavitation. In this PhD work, we are interested in the properties of cavitation in a confined liquid, with a particular emphasis on bubble dynamics. This study is motivated by the context of water transport in plants : ascending sap is indeed under tension, in natural micro-channels. Cavitation then leads to embolism, i. e. the gas-filling of these channels. A significant part of the manuscript is devoted to the study of cavitation in a model system : spherical inclusions of water are embedded in a hydrogel, and passive evaporation of water through the gel allows the generation of negative pressures. Cavitation can then happen spontaneously or be triggered with a laser. We resolve the subsequent dynamics of the bubble, using several methods (fast or time-lapse camera, light scattering, laser strobe photography ...), showing that after a first ultra-fast inertial step, the bubble reaches a temporary equilibrium. Then, it slowly grows due to fluxes in the hydrogel, leading to full embolism of the inclusion. A theoretical chapter follows. First, the thermodynamical properties of a confined liquid under negative pressure are investigated. In a second part, we focus on the dynamics of cavitation bubbles in such systems, at short time scales. We derive a modified Rayleigh-Plesset equation which accounts for the experimentally observed ultra-fast radial oscillations of the bubbles. Liquid compressibility and confinement elasticity are key ingredients in this model. Last, the applicability of the previous results in the context of trees is discussed. A new method to directly study embolism in trees by optical means is also presented, and applied to Scots pine samples.

La présente étude se fonde sur la méthode du volume de fluide (en anglais VOF pour Volume-of-Fluid), proposée à l'origine par Hirt et Nicols. L'objectif de la première partie de ce travail est l'étude hydrodynamique de la cavitation isotherme dans les grands nuages de bulles. Cette étude s'inscrit plus généralement dans un large effort de recherche en micro--écaillage mené par le CEA. Une méthode capable de traiter la présence de cavités de vapeur de volume variable ou encore de pores a été formulée et implémentée dans un code existant, PARIS. L'écoulement est idéalisé en supposant un liquide parfait, des effets thermiques négligeables et une pression de vapeur nulle. Une étude innovante est présentée, traitant de l'interaction du nuage de bulles dans un liquide en expansion par simulation numérique directe. Les résultats des simulations révèlent l'existence d'un concours de cavités dans un certain régime caractérisé par le nombre de Weber.Dans la deuxième partie de l'étude, le système d'équations à résoudre est modifié et généralisé afin de décrire l'écoulement incompressible d'un fluide diphasique tout en incluant la possibilité d'un changement de phase à l'interface. Une nouvelle méthode VOF est proposée, dans laquelle une nouvelle technique d'advection de la fonction VOF permet de traiter à la fois la conservation de la masse et de l'énergie sous une forme conservative. Les expériences numériques démontrent la précision, la robustesse et la généralité de la méthode proposée, et témoignent d'un développement fondamental important pour l'application des méthodes VOF à la modélisation des changements de phase. / Direct numerical simulation of two-phase ow is used extensively for engineering research and fundamental fluid physics studies [54, 81]. This study is based on the Volume-Of-Fluid (VOF) method, originally created by Hirt and Nicols [30]. This method has gained increased popularity, especially when geometric advection techniques are used coupled with a planar reconstruction of the interface [14, 89]. The focus of the first part of this work is to investigate the hydrodynamics of isothermal cavitation in large bubble clouds, which originated from a larger study of micro-spalling [61], conducted by the French CEA. A method to deal with volume-changing vapour cavities, or pores, was formulated and implemented in an existing code, PARIS . The ow is idealized by assuming an inviscid liquid, negligible thermal effects and vanishing vapour pressure. A novel investigation of bubble cloud interaction in an expanding liquid using direct or detailed numerical simulation is presented. The simulation results reveal a pore competition, which is characterised by the Weber number in the ow. In the second part of the study the governing equations are extended to describe incompressible ow with phase change [79]. The description of the work commences with the derivation of the governing equations. Following this, a novel, geometric based, VOF solution method is proposed. In this method a novel way of advecting the VOF function is invented, which treats both mass and energy conservation in conservative form. New techniques include the advection of the interface in a discontinuous velocity field. The proposed algorithms are consistent and elegant, requiring minimal modifications to the existing code. Numerical experiments demonstrate accuracy, robustness and generality. This is viewed as a significant fundamental development in the use of VOF methods to model phase change.

L’oxydation du cyclohexane est l’un des procédés les plus importants dans la chaîne de production du Nylon où l’oxygène et le cyclohexane entrent en contact pour former le cyclohexanol, la cyclohexanone puis l’acide adipique. Le rendement est influencé à la fois par le transfert de l’oxygène et par le mélange des réactifs en phase liquide. Des réacteurs de type colonne à bulles sont généralement utilisés pour fournir une aire interfaciale importante et garantir une agitation efficace en phase liquide. Cependant, la complexité des mécanismes impliqués (hydrodynamique, transfert, réaction, fort taux de vide) rend difficile la prédiction des performances des réacteurs. Ce travail est consacré à l’amélioration des lois de fermetures (quantité de mouvement et transferts) pour la modélisation Euler/Euler des réacteurs industriels utilisés pour le procédé d’oxydation du cyclohexane. Dans un premier temps, des expériences de laboratoire avec le système eau/air ont été réalisées jusqu’à de forts taux de vide (> 30%) pour mesurer les effets collectifs sur la force de traînée et le transfert de masse dans un essaim de bulles homogène. Les résultats ont confirmé que le coefficient de traînée des bulles augmente de manière significative avec le taux de vide alors que de manière surprenante l’effet est très faible sur le transfert. Dans un second temps, des expériences ont été réalisées avec le système cyclohexane/diazote dans des conditions industrielles (P = 1 - 20 bar, T = 30 - 150°C). L’analyse des résultats de transfert en condition industrielle a nécessité la simulation numérique directe du transfert à l’intérieur d’une bulle sphérique / Cyclohexane oxidation is one of the most important processes in the production line of Nylon, where oxygen and cyclohexane get in contact to produce cyclohexanol, cyclohexanone and then adipic acid. The production yield is influenced by both the oxygen transfer and the reactants mixing in liquid phase. Bubble column type reactors are usually used to provide a large interfacial area and efficient liquid phase agitation. However, the complexity of the mechanisms involved (hydrodynamic, transfer, reaction, high void fraction) makes it difficult to predict the performance of such reactors. This work is devoted to improve the associated closure laws of momentum and transfer equations used in Euler/Euler modelling of industrial reactors for cyclohexane oxidation. Bench-scale experiment for air-water system has been firstly carried out to measure the collective effects on the drag force and the mass transfer of a bubble in a homogenous bubble swarm with a high void fraction up to 30%. The results confirmed that bubble’s drag coefficient increases significantly with the void fraction. Meanwhile surprisingly, weak effect has been observed on the transfer. Nextly, pilot experiments with nitrogen-cyclohexane system have been performed under industrial conditions (P = 1 - 20 bar, T = 30 - 150°C). Analysis of the results of transfer under industrial conditions required finally direct numerical simulation of transfers inside a spherical bubble.

Les réacteurs chimiques impliquant une phase liquide et une phase gazeuse sont couramment utilisés dans l'industrie pétrochimique et biologique car les écoulements à bulles ont de très bonnes propriétés de transfert et de mélange. Cela permet de mêler intimement différents composés et d'optimiser les réactions chimiques. Néanmoins, les mécanismes et les phénomènes mis en jeu dans le mélange au sein d'un écoulement à bulles restent encore mal connus. Ce travail a donc consisté à identifier les différents mécanismes de mélange en écoulement à bulles pour réviser le modèle physique de transport des espèces chimiques. Afin de distinguer et séparer les différents mécanismes, le mélange d'un traceur passif a été étudié dans différentes configurations expérimentales. Premièrement, l'étude du mélange dans un écoulement à bulles fortement confiné dans une cellule de Hele-Shaw a permis de mettre en évidence le mélange par capture du traceur dans les sillages. Ce mécanisme de mélange, fortement intermittent et convectif, s'est révélé être incompatible avec un processus purement diffusif. Deuxièmement, l'étude du mélange dans un essaim de bulles homogène tridimensionnel a été entreprise. Au contraire du cas confiné, le mélange, qui est causé par l'agitation induite par les bulles dans le liquide, est bien de nature diffusive. Nous avons donc pu mesurer les coefficients de diffusion effectifs en fonction de la fraction volumique de gaz. Ces coefficients sont différents dans les directions verticale et horizontale, ce qui traduit le caractère anisotrope du mélange. De plus, ils deviennent constants au-delà d'une certaine valeur de fraction volumique. Pour finir, nous avons considéré le mélange dans un essaim inhomogène de bulles, où se développe une boucle de recirculation du liquide. Dans le cas d'une recirculation modérée, la dispersion du traceur peut être estimée en combinant le mélange résultant de l'agitation des bulles avec l'advection par le mouvement moyen du fluide. / Bubble columns are commonly used for chemical processes because of their good mixing and transfer capabilities. This work aims at understanding and modelling the mixing induced by bubbles. In order to distinguish the differents mixing mechanisms, the dispersion of a low-diffusive scalar has been investigated in various experimental configurations. The first one is a bubbly flow in a Hele-Shaw cell where the confinement prevents from the developpement of turbulence. In this case, the mixing is controlled by the capture and the transport by the bubble wakes. This mechanism, which cannot be described by an effective diffusivity, has been modelled by considering the intermittent transport of finite volumes of dye. The second configuration is a homogeneous swarm of rising bubbles where the mixing results from the dispersion by the bubble-induced turbulence. It can therefore be modelled by an anistropic effective diffusivity, which becomes independent of the gas volume fraction beyond a certain value. Finally, an inhomogenous bubbly flow, where a liquid recirculation loop is present, has been considered. In the case of a moderate inhomogeneity, shear induced-turbulence is not generated by the gradients of the mean flow and the mixing can be modelled by the sum of the bubble-induced dispersion and the advection by the mean flow.

Ce travail de recherche s'intéresse à la dynamique de bulles en ascension à grand nombre de Reynolds dans un liquide fortement confiné entre deux plaques (cellule de Hele-Shaw). Dans le régime étudié, les trajectoires des bulles et leurs déformations sont contenues dans le plan de la cellule. La dynamique essentiellement bidimensionnelle favorise en particulier l'observation d'interactions entre bulles. Cette étude expérimentale comprend donc deux volets : l'analyse de la dynamique d'une bulle isolée et de son sillage et celle des interactions hydrodynamiques entre deux bulles. La cinématique des bulles (forme, trajectoire et vitesse) est mesurée à partir de visualisations par ombroscopie sur une large gamme de tailles caractérisées par un diamètre équivalent dans le plan, noté d. La dynamique des sillages est quant à elle étudiée par Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) à Haute Fréquence. Concernant l'étude de la bulle isolée, nous avons exploré la situation où les bulles montent dans un liquide au repos et celle où elles sont soumises à un écoulement descendant à contre-courant. En liquide au repos, pour des bulles de taille suffisante qui ne sont pas mobiles dans l'interstice d'épaisseur e nous avons montré que la vitesse moyenne d'ascension Vb est proportionnelle à (e/d)⅙ √gd, et que le nombre de Reynolds défini par Re=Vbd/v fixe la déformation des bulles. De plus des lois d'échelle simples sont obtenues dans la gamme 1200≤Re≤3000 et e/d ≤ 0,4 pour les grandeurs décrivant les oscillations de trajectoire dans le repère de la bulle. Par ailleurs, des mesures de vitesse nous ont permis de caractériser la structure du sillage associé aux oscillations de trajectoire de la bulle. Nous avons tout d'abord étudié en détail les caractéristiques du détachement tourbillonnaire. Ces mesures de vitesse dans les sillages ont également mis en évidence l'existence de deux dynamiques distinctes sur deux échelles de temps nettement séparées : la période d'oscillation de la bulle et le temps visqueux défini à partir de e. En écoulement à contre-courant, un résultat intéressant consiste en la disparition de la phase intermédiaire d'appariement tourbillonnaire dans l'allée de von Karman de bulles oscillantes pour la plus importante des vitesses du contre-écoulement. La caractérisation de la cinématique des bulles isolées et des perturbations de vitesse qu'elles induisent dans le liquide a permis d'aboutir à des lois d'échelle suffisamment robustes pour pouvoir prédire leur comportement instationnaire simplement à partir de leur taille. Cette connaissance s'avère cruciale dans l'analyse des interactions entre deux bulles pour explorer les écarts de leur comportement cinématique par rapport au cas isolé. Les expériences d'interaction entre deux bulles consistent à injecter deux bulles successives et à observer leur mouvement ainsi que celui qu'elles induisent dans la phase liquide. Le suivi des bulles par ombroscopie permet de distinguer plusieurs modes d'interaction entre les bulles : attraction horizontale, entrainement vertical, éjection du sillage ou rebond, contournement, positionnement préférentiel et coalescence. Certains mécanismes d'interaction ont été plus spécifiquement étudiés à l'aide de mesures par vélocimétrie. Nous avons ainsi pu quantifier l'effet du sillage de la première bulle sur la deuxième, et notamment caractériser l'interaction bulle - tourbillon. / We study the dynamics of bubbles rising in a liquid confined in a thin-gap cell (Hele-Shaw cell of thickness e). In the regime investigated corresponding to high Reynolds numbers, bubble paths and deformations occur in the plane of the cell. This two-dimensional dynamics facilitates the observation of bubbles interaction. The aim of the investigation is twofold: the analysis of the coupling between the motion of an isolated oscillating bubble and its wake, and the analysis of the hydrodynamical interactions between two bubbles. Bubble motions (shape, trajectory and velocity) are measured from visualizations using shadowgraphy for a large range of bubble sizes characterized by their in-plane equivalent diameter d. The behaviour of the wake is explored using High Frequency Particle Image Velocimetry (HF PIV). We investigated the kinematics of an isolated bubble when its size d increases. We showed that the mean vertical velocity of the bubble Vb is proportional to (e/d)⅙ √gd, and that the Reynolds number Re=Vbd/v determines its mean deformation. Simple scaling laws were then obtained in the range 1200≤Re≤3000 and e/d ≤ 0,4 for all the quantities describing the path oscillations of the bubble in its reference frame. Moreover, measurements of the liquid velocity allowed us to characterize the structure of the wake associated to the oscillating bubbles. We first investigated in detail the characteristics of vortex shedding. We then showed that the time evolution of the bubble wake depends on two contrasted time scales. The first corresponds to short times on the order of the period of oscillation and the second to the effect of wall friction becoming predominant for times comparable to the viscous time scale based on the gap thickness e. In the presence of a sufficiently strong counterflow, we observed the disappearance of the intermediate phase of vortex pairing in the wake of an isolated oscillating bubble. The characterization of the bubble kinematics and of the bubble-induced velocity perturbation in the liquid phase for the isolated bubble provided scaling laws robust enough to predict their periodic motion. This knowledge is fundamental for the discussion of hydrodynamical interactions, allowing us to discuss the kinematics of interacting bubbles as compared to their kinematics as isolated bubbles. Experiments consisted in the injection of two successive bubbles in the cell, the observation of their motions and the measurement of the perturbations induced in the liquid phase. Visualizations of the bubbles motions allowed us to observe several types of interactions: horizontal attraction, vertical entrainment, ejection or bouncing, preferential positioning, and coalescence. Some mechanisms occurring during interaction have been more precisely studied using HF PIV, in particular the effect of the wake of the leading bubble on the trailing bubble, and the associated bubble-vortex interaction.

Cette thèse présente les études de sonoluminescence multibulle (MBSL) effectuées à l’ICSM pour compléter de précédents résultats ayant mis en évidence la formation d’un plasma hors équilibre au cours de la cavitation multibulle dans l'eau. La sonoluminescence et la réactivité sonochimique de l’eau sous flux continu de mélanges gaz rare et N2 et d’une solution aqueuse d’ammoniaque sous flux continu de gaz rare sont étudiées par plusieurs techniques expérimentales. Nous avons observé, en plus de l’émission de OH (A2Σ+-X2Πi) et du continuum typique de SL, pour la première fois la sonoluminescence de NH (A3Π – X3Σ-). Les spectres de sonoluminescence, le suivi des rendements de formation des produits de la sonolyse et les résultats de fits de NH (A3Π- X3Σ-) et OH (A2Σ+-X2Πi) en utilisant le logiciel Specair confirment l’atteinte de conditions plus extrêmes au moment de l’implosion des bulles à haute fréquence ultrasonore. D’autre part, ces résultats indiquent clairement l’absence d’équilibre thermique à l’intérieur des bulles de cavitation au moment de l’implosion (Tv > Tr) quelles que soient les conditions expérimentales, et que la température vibrationnelle est plus élevée à haute fréquence US ce qui conduit au non suivi de la loi de Boltzmann des populations des niveaux vibrationnels et/ou rotationnels. En parallèle, l’évolution de la taille des bulles de cavitation a été mesurée par une technique d’ultrasons pulsés, dans le cadre d’une collaboration entre l’ICSM/LSFC et l’université de Melbourne en Australie. Nous avons en particulier mis en évidence un problème de coalescence des bulles sous flux continu de gaz, qui complique grandement l’interprétation des résultats de taille des bulles. Une autre observation est que la présence d’azote dans l’argon conduit à une diminution de la taille des bulles. / This thesis presents the studies on multibubble sonoluminescence (MBSL) performed at ICSM to complete previous results that have shown the formation of a non-equilibrium plasma in the multibubble cavitation in water. Sonoluminescence and sonochemical reactivity of water under continuous flow of noble gas and N2 mixtures and of aqueous ammonia solutions under continuous flow of noble gas are studied by several experimental techniques. In addition to OH (A2Σ+-X2Πi) band and continuum emission usually observed in the SL spectra of water in the presence of noble gases, the sonoluminescence of NH (A3Π) radicals was observed for the first time. Spectroscopy of sonoluminescence, the follow up of the sonochemical products and the spectral fits of NH (A3Π- X3Σ-) and OH (A2Σ+-X2Πi) systems using Specair software indicate more drastic conditions at high US frequency. On the other hand, NH* and OH* radicals generated inside the cavitation bubbles are far from equilibrium (Tv > Tr) whatever the experimental conditions and the vibrational temperatures at high frequency ultrasound are much higher compared to 20 kHz ultrasound which leads to strong deviation from the equilibrium (non-Boltzmann behavior). In parallel, the evolution of the bubble size is measured by a pulsed ultrasound technique, in the framework of a collaboration between ICSM / LSFC and the University of Melbourne in Australia. The problem of the coalescence of bubbles under continuous flow of gas was identified, which greatly complicates the interpretation of results of bubble size. Another interesting observation is that the presence of nitrogen in argon leads to a strong reduction in bubble size.