Titre/Title : Analyse et modélisation de l’hydrodynamique locale dans les colonnes à bulles
Contact : Alain Cartellier (équipe EDT)
Les colonnes à bulles sont largement utilisées dans les domaines du génie chimique ou biologique, grâce à leur configuration simple, exempte de toute partie mobile. Cependant, l’hydrodynamique de ces systèmes est encore très mal connue. En particulier, l’extrapolation entre colonnes à l’échelle du laboratoire et colonnes industrielles n’est pas maîtrisée, de sorte que les simulations bi-fluides ne conduisent à des résultats réalistes que via un ajustement ad-hoc fonction de la taille de colonnes, ajustement portant généralement sur la taille des bulles.
Pour progresser sur la question de l’ « up-scaling » des colonnes à bulles, des expériences ont été engagées sur une large gamme de paramètres avec des tailles de colonnes allant de 0.15 à 3 m de diamètre, et des vitesses superficielles gaz comprises entre 3 et 35 cm/s, générant des taux de vide atteignant les 35%. Pour disposer de conditions hydrodynamiques comparables, un soin tout particulier a été consacré à produire des bulles quasi identiques pour toutes ces conditions. De même, les effets de coalescence ont été bloqués. Parallèlement, une batterie de techniques de mesure a été déployée dont une nouvelle méthode permettant de mesurer la dimension horizontale des bulles dans des conditions de fort taux de vide et en écoulements fortement agités.
Nous montrerons comment la base de données acquise sur l’évolution radiale et axiale de l’hydrodynamique locale (taux de vide, taille de bulles, vitesses phasiques et leurs fluctuations...) a permis de clarifier les lois d’échelle intervenant dans ces systèmes. En particulier, le caractère hétérogène se traduit par de forts gradients de concentration et donc des structures à méso-échelle. La dynamique collective qui en résulte s’avère affecter très fortement la vitesse relative moyenne entre phases. Cette dynamique peut se traduire par l’introduction d’un « swarm factor » (Simonnet et al, 2008) dans la loi de traînée, et à cette condition, les simulations 3D URANS bi-fluides deviennent aptes à reproduire les effets d’échelle observés sur toute la plage de conditions considérées et ce sans ajustement ad-hoc. Restent des questions ouvertes sur les caractéristiques de ces structures de méso-échelle et leur rôle dans les échanges de quantité de mouvement entre phases.