Le procédé Solvay génère d’énormes quantités de saumures résiduaires au pH alcalin contenant portlandite, brucite et silicates de calcium hydratés. La carbonatation conduit à un abaissement du pH, ce qui favorise la formation de deux phases majoritaires : la calcite et le gypse. L’objectif de la thèse est de valoriser les saumures résiduaires carbonatées par séparation des phases en colonne de flottation. L’étude de la carbonatation en réacteur batch, puis en colonne de carbonatation pilote montre qu’il est préférable de ne pas carbonater les saumures résiduaires jusqu’à l’équilibre thermodynamique. En effet, la mise en solution de métaux lourds intervient à partir d’un pH de l’ordre de 7,5, ce qui limiterait les rejets des saumures dans l’environnement. En outre, une carbonatation brusque et incomplète est souhaitable pour une meilleure séparation des phases par flottation. Les essais de flottation réalisés sur une colonne de 7,6 cm de diamètre et de 3 m de haut ont montré une faisabilité de la séparation des deux minéraux calciques avec l’oléate de sodium comme collecteur malgré une abondante littérature incitant à la prudence. La différence entre la taille des particules de carbonates et celle des particules de sulfates et leurs hydratations de surfaces, ainsi qu’une force ionique élevée du milieu permettent une bonne séparation des phases. Une étude des saumures synthétiques permet de mettre en évidence le rôle des cations métalliques (nature, rayon, charge…) sur la coalescence des bulles dans les conditions dynamiques et dans un milieu à forte force ionique. Une étude des paramètre de fonctionnement effectué sur une colonne de 30,5 cm de diamètre et de 10 m de haut ont permis la modélisation du procédé de flottation en colonne dans le but de proposer une procédure de dimensionnement du procédé industriel. La confrontation des résultats de simulation aux résultats réels permet la détermination des intensités des microprocessus de flottation (attachement/détachement), et conduit à la proposition d’une installation industrielle avec deux colonnes de flottation en série / Solvay process generates huge amounts of waste brines at alkaline pH containing portlandite, brucite and calcium silicate hydrates. Carbonation leads to lowering of pH which favors formation of two predominant phases: calcite and gypsum. The aim of this thesis is to develop carbonated waste brines valorization by phase separation in flotation column Study of carbonation in a batch reactor and in a carbonation pilot column shows it is preferable not to carbonate waste brines until thermodynamic equilibrium. Indeed dissolution of heavy metals occurs from a pH of about 7.5 thereby limiting discharge of brines in the environment. In addition, a sudden and incomplete carbonation is appropriate for phase separation by flotation. Flotation tests carried out in a 7.6 cm diameter and 3 m high column showed feasibility of the separation of the two calcium minerals using sodium oleate as a collector despite abundant literature for caution. The differences between the particle size of carbonates and sulfates and their surface hydration, as well as the high ionic strength of the medium allow an efficient separation of phases. Study of synthetic brines highlights the role of metal cations (nature, radius, charge…) on bubble coalescence in dynamic conditions in an environment with high ionic strength. Study of operation parameter performed on a 30.5 cm diameter and 10 m high column enabled the modeling of the column flotation process in order to provide a scale-up procedure of industrial process. Comparison of simulation results with actual results allows the determination of intensities of flotation subprocesses (attachment/detachment), and led to the proposal of an industrial plant with two flotation columns in series

Cette thèse est consacrée à l’étude mathématiques et numérique d’un problème physique issu de la volcanologie. On s’intéresse à la modélisation polydisperse de croissance de bulles par exsolution, décompression et coalescence. Un modèle de croissance polydisperse a été proposé dans la litérature, mais ne prenait en compte que le volume des bulles, ce qui restreint le domaine d’application car la croissance par exsolution dépend également de la masse d’eau présente dans la bulle. Pour améliorer ce modèle, nous sommes parti d’une description monodisperse adimensionnelle de la croissance d’une bulle par décompression et exsolution, donnée par le couplage de deux EDO et une EDP. Un code numérique est proposé pour résoudre le problème monodisperse et est actuellement utilisé. Après avoir validé numériquement ce code et considéré plusieurs cas limites, nous avons étudié les solutions du problème et défini une approximation du flux qui nous permet de découpler le système d’équations. Ensuite, nous avons étendu le modèle polydisperse de une à deux dimensions. Une résolution de la coalescence est proposée et couplée avec le modèle de croissance polydisperse. La résolution de la coalescence est confrontée à d’autres schémas numériques en une et deux dimensions afin de valider le schéma numérique proposé. Les premiers test numériques appliqués au problème physique donnent de bon résultats. / This thesis is devoted to mathematical and numerical study of a physical problem coming from volcanology. We look at the polydisperse modeling of bubbles growth by exsolution, decompression and coalescence. A polydisperse growth model has been proposed in literature, but it takes into accountonly the volume of bubbles, which restrict the application field, because growth by exsolution also depends on the water mass in the bubbles. In order to upgrade this model, we start with a non-dimensional monodisperse description of the bubble growth by decompression and exsolution, given by a coupled ODE system and a PDE. A numerical code is proposed to solve the monodisperse problem and is currently used. After validating this code numerically and considering several limit cases, we studied the solutions of the system and defined a flux approximation to decouple the equations system. Next, we extend the polydispers model from one to two dimensions, the volume and the water mass of bubbles. A resolution of coalescence is proposed and coupled with the polydisperse growth model. The resolution of coalescence is confronted with others numericals schemes in one and two dimensions in order to validate the proposed numerical scheme. The first numerical tests applied to a physical problem give good results.

L'imbibition d’eau pour les matériaux granulaires induit des changements dans la morphologie des ponts capillaires qui passent d'une forme isolée (entre deux grains voisins), à une forme fusionnée (entre plusieurs grains voisins). Ces changements de morphologie des ponts liquides influencent le comportement mécanique de ces matériaux, et peuvent être à l’origine d’instabilités telles que l’effondrement capillaire. La thèse présente une approche expérimentale multi-échelle au laboratoire de l'effondrement capillaire de matériaux granulaires lors d'une imbibition d'eau. L’approche concerne les trois échelles: macroscopique d'un Volume Élémentaire Représentatif, mésoscopique de quelques grains et locale de trois ou quatre grains. À l'échelle macroscopique, des essais d’imbibition, dans une cellule triaxiale, ont permis l'identification et l'analyse du phénomène d'effondrement capillaire en mettant l'accent sur l'évolution des déformations dans le temps. Les essais sont réalisés sur deux types de matériaux granulaires, le premier est un matériau constitué de billes de verre et le deuxième est un sable concassé. Une fraction argileuse est parfois incorporée au matériau. Plusieurs paramètres ont été étudiés en vue de comprendre leurs contributions dans le déclenchement du phénomène d'effondrement comme : la granularité, la teneur en eau initiale, la compacité initiale et le pourcentage des particules argileuses. Aux échelles mésoscopique et locale, on propose une étude expérimentale de caractérisation du comportement mécanique des matériaux granulaires dans le régime pendulaire et funiculaire. On s’intéresse en particulier à l’effet de l’imbibition et de la coalescence sur la force capillaire entre les grains solides à l’échelle considérée. Les essais d'imbibition sont réalisés par ajout d’incréments de volume d’eau aux ponts capillaires. Les résultats relatifs au comportement et à l’effondrement à l’échelle macroscopique lors de l'imbibition d'eau sont discutés en s’aidant des résultats obtenus aux échelles inférieures. / Wetting in granular materials induces changes in the morphology of capillary bridges which pass from an isolated form (between two neighboring grains) to a merged form (between several neighboring grains). These changes in the morphology of the liquid bridges impact the mechanical behavior of these materials, and can lead to instabilities such as capillary collapse. The thesis presents a multi-scale experimental approach in the laboratory of the capillary collapse of granular materials during wetting. The approach concerns the three scales: macroscopic of a Representative Elementary Volume, mesoscopic of several grains and local of three or four grains. At the macroscopic scale, the wetting tests, carried out in a triaxial cell, allowed the identification and the analysis of capillary collapse phenomenon, focusing on the evolution of deformations over time. The tests are carried out on two granular materials, the first is a material made of glass beads and the second is a crushed sand. A clay fraction is sometimes incorporated into the material. Several parameters have been studied in order to understand their contributions to the triggering of the collapse phenomenon, such as: grain size, initial water content, initial compactness and percentage of clay particles. At the mesoscopic and local scales, an experimental study is proposed to characterize the mechanical behavior of a granular materials, in the pendular and funicular regimes. In particular, this study focus on the effect of the wetting and the coalescence of bridges, on the capillary force between grains at the considered scale. Wetting tests were performed by adding water volume increments to the capillary bridges. The results on behavior and collapse at the macroscopic scale during wetting are discussed using the results obtained on the lower scales.

La rupture ductile des alliages métalliques survient suite à la nucléation, la croissance et la coalescence de microcavités. La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude des effets de forme et d'anisotropie plastique sur la phase de croissance des cavités. Dans un premier temps, nous implémentons numériquement le modèle de croissance de Madou et Leblond pour des cavités ellipsoïdales générales plongées dans un matériau isotrope dans un code de calcul par éléments finis, afin d'appliquer le modèle à des cas de rupture où les effets de forme sont importants. On montre que la prise en compte des effets de forme des cavités est nécessaire afin de reproduire la rupture ductile en cisaillement. Ce modèle est ensuite étendu au cas de l'anisotropie plastique, en s'inspirant des travaux de Monchiet et Benzerga. On dérive notamment un critère de plasticité macroscopique pour les matériaux anisotropes contenant des cavités ellipsoïdales générales, que nous validons par analyse limite numérique. La seconde partie de la thèse est dédiée à l'étude des effets de taille sur la rupture ductile des matériaux nanoporeux contenant des cavités sphériques ou sphéroïdales. Enfin, la troisième partie de la thèse est consacrée à l'étude des effets de forme et d'anisotropie plastique sur la phase de coalescence des cavités. Nous dérivons deux nouveaux critères de coalescence en couche que nous validons par analyse limite numérique. Cette étude nous permet de développer un nouveau critère permettant d'unifier les phases de croissance et coalescence. Enfin nous dérivons un critère de coalescence pour les matériaux anisotropes. / Ductile fracture of metallic alloys occurs by the nucleation, growth and coalescence of microvoids. In a first step, we study the influence of void shape effects and plastic anisotropy on the growth phase. we implement numerically in a finite element code the void growth model of madou and leblond for ellipsoidal voids embedded in an isotropic material, in order to apply the model to ductile fracture problems involving important void shape effects. We show that the consideration of void shape effects is necessary in order to reproduce shear-dominant ductile fracture. This model is then extended to plastic anisotropy, in the spirit of the models of monchiet and benzerga. In particular, we derive a macroscopic criterion for anisotropic materials containing general ellipsoidal voids, which is assessed by finite element limite analyses. In a second step, we study the effects of void size on the ductile fracture of nanoporous materials contenant spherical or spheroidal voids. The last part of the thesis is dedicated to the study of void shape effects and plastic anisotropy on the coalescence phase. We derive two new criteria of coalescence by internal necking, which are assessed numerically. Then, we derive a new criterion that permits to unify the growth and coalescence phases. Finally we study the influence of plasticy anisotropy on coalescence by internal necking.

Ce travail est consacré à l’étude de la coalescence de gouttelettes liquides à l’échelle du nanomètre. Nous nous sommes intéressés principalement à l’évolution du changement topologique des gouttelettes à partir de la rupture des surfaces au moment du contact initial jusqu’à la coalescence complète. Nous utilisons la dynamique moléculaire afin de simuler plusieurs types de gouttelettes soit en utilisant le potentiel empirique de type Stillinger-Weber pour des gouttelettes de silicium (l-Si) en 3 dimensions et le modèle Embedded Atom Method pour des gouttelettes de cuivre liquide (l-Cu) en 2d, quasi-2d (disques) et 3 dimensions. Qualitativement, toutes les simulations démontrent une coalescence similaire indépendamment de la dimension de calcul (2d à 3d), de la taille et de la température initiale des gouttelettes. La coalescence évolue par une déformation rapide des surfaces sans mixage important entre les atomes des deux gouttelettes initiales. De plus, nous étudions l’évolution du col de coalescence formé lors du contact initial entre les gouttelettes et, pour les systèmes en 3d, nous observons une transition claire d’un régime visqueux vers un régime inertiel du rayon de ce col, tel que suggéré par des modèles théoriques. Pour les gouttelettes de cuivre nous observons exactement le comportement des prédictions analytiques et confirmons que le premier régime suit un comportement visqueux sans aplatissement local des gouttelettes. La situation est différente pour les gouttelettes de l-Si où nous observons un effet plus grand, par rapport aux prédictions analytiques, du rayon et de la température initiale des gouttelettes sur l’évolution du col de coalescence. Nous suggérons que les paramètres décrivant l’évolution de la coalescence dépendent des propriétés des matériaux utilisés contrairement à la théorie universelle couramment utilisée. / In this work we studied the coalescence of liquid nanodroplets and more specifically the topological deformation from their rupture at the initial contact to the full coalescence. We used molecular dynamics to simulate various liquid droplets: 3 dimension liquid silicon (l-Si) droplets using the Stillinger-Weber potential as well as 2d, quasi-2d (discs) and 3d liquid copper (l-Cu) droplets using the Embedded Atom Model semi empirical potential. All simulations showed similar qualitative coalescence independently of initial size and temperature for 2d, quasi-2d and 3d systems: the topological deformation evolved quickly without any important mixing taking place between atoms from both droplets. Furthermore, we studied the evolution of the radius of the liquid bridge formed between the droplets and demonstrated that it is possible to observe, using molecular dynamics, a transition from a viscous to inertial regime of this bridge, as suggested by analytical models. Studying the l-Cu droplets, we observe exactly the analytical predicted behavior of the coalescence evolution and confirm that the initial regime follows a viscous driven mechanism without any local flattening of the droplets. The results are different with the l-Si droplets where we observe a greater effect, compared to analytical models, of the initial droplets radius and temperature on the bridge evolution. This suggests that the parameters describing the coalescence process are dependent of the properties of the materials used in the coalescence instead of the present universal accepted models.

Plusieurs défis subsistent pour la migration de l’électronique imprimée vers l’industrie, malgré des avancées récentes. Dans ces travaux de thèse, l’optimisation du procédé d’impression d’encres à base de nanoparticules d’argent (<Ø>=25 nm) en fonction de sa rhéologie et des interactions fluide/substrat a permis de réaliser des interconnexions électriques d’une épaisseur de 500 nm. Ces lignes imprimées sur des substrats silicium ou flexibles sont ensuite recuites par des méthodes conventionnelles (étuve ou infrarouge) ou sélectives (micro-onde) à des températures comprises entre 100 et 300°C.Une meilleure compréhension de la relation procédé/microstructure des couches minces imprimées, via plusieurs caractérisations cristallographiques (DRX, EBSD et EDX), a permis d’optimiser la croissance des domaines nanocristallins, activée pour des énergies de l’ordre de 3 à 5 kJ•mol-1. Outre les faibles contraintes résiduelles (70 MPa), cette optimisation permet d’atteindre de faibles résistivités électriques (3.4 µOhm•cm) associées à un accroissement de la cohérence des réseaux cristallins aux joints de grains. La probabilité de réflexion des électrons à ces interfaces peut être davantage réduite, grâce à une approche innovante de croissance orientée des cristallites par interdiffusion atomique à partir du substrat.La faible rigidité mécanique (E<50 GPa) de ces lignes initialement poreuses nécessite une étape de renforcement par texturation ou par croissance electroless pour résister aux étapes de micro-assemblage et de soudure filaire. La réalisation d’un démonstrateur fonctionnel a ainsi permis de valider la technologie d’impression pour la fabrication de composants électroniques. / Several challenges are still holding back the technological transfer of printed electronics to industry in spite of recent progresses. In this thesis work, the printing method of inks based on silver nanoparticles (<Ø>=25 nm) was optimized according to its rheology and to the fluid/substrate interactions for the fabrication of electrical interconnections with a thickness of 500 nm. These lines were printed on silicon or flexible substrates and annealed either by conventional (oven or infrared) or selective methods (microwave) at temperatures comprised between 100 and 300 °C.A better understanding of the relationship between process and microstructure of these printed thin films, based on several crystallographic equipments (XRD, EBSD and EDX), led to the optimization of nanocrystallites growth with an activation energy of about 3 to 5 kJ•mol-1. In addition to the low residual stress (70 MPa), this optimization is used to achieve low electrical resistivity (3.4 μOhm•cm) associated with a greater coherence of the crystal lattices at grain boundaries. The probability of electron scattering at such interfaces can be further reduced using an innovative approach of oriented crystallite growth by atomic interdiffusion from the substrate.The low mechanical stiffness (E<50 GPa) of these porous lines requires a reinforcement step either by crystalline texturation or by electroless growth to withstand the assembly and wire-bonding steps. The fabrication of a functional demonstrator thus validated the printing technology for the manufacture of electronic components.

Les interactions entre des gouttes ou des bulles sont rencontrées dans de nombreuses applications industrielles et/ou environnementales. Ici, nous nous intéressons à l’électro-coalescence qui a des applications importantes comme par exemple la séparation eau/pétrole (coalescence de gouttelettes d'eau dans du pétrole). L’étude a été consacrée à l’élaboration et à la mise point de modèles basés sur les équations de Navier-Stokes et les équations régissant les champs électriques au niveau d’une seule goutte ainsi que l’interaction entre deux gouttes et plus particulièrement l’effet des forces hydrodynamiques et électrostatiques sur le mécanisme d’amincissement du film séparant les deux gouttes. Selon les cas traités, le suivi de l’interface est réalisé soit à l’aide de la méthode LS (Level Set) ou bien à l’aide de la méthode MM (Moving Mesh). Les solutions numériques ont été obtenues à l’aide du code de calcul COMSOL Multiphysics. Dans une première étape, nous avons analysé l’effet d’un champ électrique sur la déformation d’une seule goutte suspendue dans un autre fluide visqueux, pour différentes propriétés physiques et électriques des deux fluides. Le modèle a été testé et validé par confrontation avec les solutions analytiques existantes et avec des études numériques de la littérature. Nous avons examiné aussi l’influence du champ électrique sur la génération d’une goutte secondaire lors de la coalescence entre une goutte et une interface liquide-liquide déformable. Dans une seconde étape, nous avons étudié le drainage et la déformation de deux gouttes en interaction sous l’action d’une force constante. Contrairement à la théorie de lubrification basée entre autre sur l’hypothèse d’une petite déformation de l’interface, aucune hypothèse simplificatrice n’a été utilisée pour la résolution des équations, ce qui a permis d’obtenir des solutions numériques aussi bien pour les petites que pour les grandes déformations. Dans une troisième étape, nous avons examiné l’ascension d’une goutte isolée ou de deux gouttes de n-butanol dans l’eau sous l’influence de la force de flottabilité. L’évolution des vitesses terminales d’ascension des gouttes (goutte de tête/goutte suiveuse) et le drainage du film séparant les deux gouttes ont été analysées en présence et en l’absence de champ électrique. / Drops and bubbles interactions are encountered in various industrial and environmental applications. In this work, we focus on the electro-coalescence which has important industrial uses such as the destabilization of water / oil emulsions (coalescence of water droplets in oil). This study was devoted to the development and the elaboration of numerical models based on the Navier-Stokes equations and those describing the electrical field on a single drop as well as the interaction between two drops, and more particularly the effect of hydrodynamic and electrostatic forces on the thinning mechanism of the film separating the two drops. According to the treated cases, the interface tracking is achieved either by using the LS method (Level Set) or using the MM method (Moving Mesh). Numerical solutions were obtained using the commercial CFD software COMSOL Multiphysics. During the first step, we analyzed the effect of an electrical field on the deformation of a single suspended drop in another viscous fluid, for different physical and electrical properties of the two fluids. The model was tested and validated by comparison with existing analytical solutions and numerical studies found in the literature. We also analyzed the influence of the electric field on the generation of a secondary drop during the coalescence between a drop and a deformable liquid-liquid interface. In a second step, we investigated the drainage and deformation of two drops in interaction under the effect of a constant force. Unlike the lubrication theory which is based among others, on the assumption of a small interface deformation, in this work, no simplifying assumptions were used for the solution of equations, which allowed us to obtain numerical solutions for both small and large deformations. For the third step, we examined the rise of two drops of n-butanol in water under the influence of buoyancy force. The evolution of the drops terminal ascension velocity (leading drop/trailing drop), and the drainage of the film separating the two drops were analyzed in the presence and in the absence of electrical field.

L'objectif principal de ce travail est la compréhension des mécanismes physiques liés au phénomène d'impact orthogonal d'une ou de plusieurs gouttes sur des surfaces solides sèches. Les surfaces modèles utilisées sont réalisées à partir de plaques de silicium sur lesquelles un traitement chimique a permis d'obtenir des angles de contact d'équilibre couvrant une très large gamme de hydrophile à superhydrophobe. A l'aide de ces briques de base, des surfaces hétérogènes de différents types ont été fabriquées et leur comportement étudié.<br />Les expérimentations sont basées sur l'acquisition des profils transitoires lors de l'impact d'une goutte unique ou de plusieurs gouttes. Les méthodes de visualisation utilisées sont la cinématographie ultra-rapide et la pseudo-cinématographie à déphasage contrôlé. Les mesures sont effectuées automatiquement à partir d'algorithmes de traitement d'images spécifiquement développés pour le cas de l'étalement. Ces observations ont permis d'étudier en détail les quatre phases de l'impact. <br />A partir de ces résultats, deux applications, où l'interaction solide/liquide lors de l'étalement joue un trôle prépondérant, ont été étudiées : l'impression numérique et la synthèse in situ d'oligonucléotides. Les simulations numériques proposées reposent sur la méthode variationnelle et la méthode des frontières pour les cas axisymétriques. Les résultats obtenus sont discutés

Ce travail est consacré à l’étude de la coalescence de gouttelettes liquides à l’échelle du nanomètre. Nous nous sommes intéressés principalement à l’évolution du changement topologique des gouttelettes à partir de la rupture des surfaces au moment du contact initial jusqu’à la coalescence complète. Nous utilisons la dynamique moléculaire afin de simuler plusieurs types de gouttelettes soit en utilisant le potentiel empirique de type Stillinger-Weber pour des gouttelettes de silicium (l-Si) en 3 dimensions et le modèle Embedded Atom Method pour des gouttelettes de cuivre liquide (l-Cu) en 2d, quasi-2d (disques) et 3 dimensions. Qualitativement, toutes les simulations démontrent une coalescence similaire indépendamment de la dimension de calcul (2d à 3d), de la taille et de la température initiale des gouttelettes. La coalescence évolue par une déformation rapide des surfaces sans mixage important entre les atomes des deux gouttelettes initiales. De plus, nous étudions l’évolution du col de coalescence formé lors du contact initial entre les gouttelettes et, pour les systèmes en 3d, nous observons une transition claire d’un régime visqueux vers un régime inertiel du rayon de ce col, tel que suggéré par des modèles théoriques. Pour les gouttelettes de cuivre nous observons exactement le comportement des prédictions analytiques et confirmons que le premier régime suit un comportement visqueux sans aplatissement local des gouttelettes. La situation est différente pour les gouttelettes de l-Si où nous observons un effet plus grand, par rapport aux prédictions analytiques, du rayon et de la température initiale des gouttelettes sur l’évolution du col de coalescence. Nous suggérons que les paramètres décrivant l’évolution de la coalescence dépendent des propriétés des matériaux utilisés contrairement à la théorie universelle couramment utilisée. / In this work we studied the coalescence of liquid nanodroplets and more specifically the topological deformation from their rupture at the initial contact to the full coalescence. We used molecular dynamics to simulate various liquid droplets: 3 dimension liquid silicon (l-Si) droplets using the Stillinger-Weber potential as well as 2d, quasi-2d (discs) and 3d liquid copper (l-Cu) droplets using the Embedded Atom Model semi empirical potential. All simulations showed similar qualitative coalescence independently of initial size and temperature for 2d, quasi-2d and 3d systems: the topological deformation evolved quickly without any important mixing taking place between atoms from both droplets. Furthermore, we studied the evolution of the radius of the liquid bridge formed between the droplets and demonstrated that it is possible to observe, using molecular dynamics, a transition from a viscous to inertial regime of this bridge, as suggested by analytical models. Studying the l-Cu droplets, we observe exactly the analytical predicted behavior of the coalescence evolution and confirm that the initial regime follows a viscous driven mechanism without any local flattening of the droplets. The results are different with the l-Si droplets where we observe a greater effect, compared to analytical models, of the initial droplets radius and temperature on the bridge evolution. This suggests that the parameters describing the coalescence process are dependent of the properties of the materials used in the coalescence instead of the present universal accepted models.

A generalized model for bubble coalescence and breakup has been developed, which is based on a comprehensive survey of existing theories and models. One important feature of the model is that all important mechanisms leading to bubble coalescence and breakup in a turbulent gas-liquid flow are considered. The new model is tested extensively in a 1D Test Solver and a 3D CFD code ANSYS CFX for the case of vertical gas-liquid pipe flow under adiabatic conditions, respectively. Two kinds of extensions of the standard multi-fluid model, i.e. the discrete population model and the inhomogeneous MUSIG (multiple-size group) model, are available in the two solvers, respectively. These extensions with suitable closure models such as those for coalescence and breakup are able to predict the evolution of bubble size distribution in dispersed flows and to overcome the mono-dispersed flow limitation of the standard multi-fluid model. For the validation of the model the high quality database of the TOPFLOW L12 experiments for air-water flow in a vertical pipe was employed. A wide range of test points, which cover the bubbly flow, turbulent-churn flow as well as the transition regime, is involved in the simulations. The comparison between the simulated results such as bubble size distribution, gas velocity and volume fraction and the measured ones indicates a generally good agreement for all selected test points. As the superficial gas velocity increases, bubble size distribution evolves via coalescence dominant regimes first, then breakup-dominant regimes and finally turns into a bimodal distribution. The tendency of the evolution is well reproduced by the model. However, the tendency is almost always overestimated, i.e. too much coalescence in the coalescence dominant case while too much breakup in breakup dominant ones. The reason of this problem is discussed by studying the contribution of each coalescence and breakup mechanism at different test points. The redistribution of the gaseous phase from the injection position at the pipe wall to the whole cross section is overpredicted by the Test Solver especially for the test points with high superficial gas velocity. Besides the models for bubble forces, the simplification of the Test Solver to a 1D model has an influence on the redistribution process. Simulations performed using CFX show that a considerable improvement is achieved with comparison to the results delivered by the standard closure models. For the breakup-dominant cases, the breakup rate is again overestimated and the contribution of wake entrainment of large bubbles is underestimated. Furthermore, inlet conditions for the liquid phase, bubble forces as well as turbulence modeling are shown to have a noticeable influence, especially on the redistribution of the gaseous phase.