Mixing and tranport properties in bubbly flows

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