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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2015INPT0013 |
| Date | 19 January 2015 |
| Creators | Filella, Audrey |
| Contributors | Toulouse, INPT, Ern, Patricia, Roig, Véronique |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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