Analyse de stabilité et simulation numérique des colonnes à bulles

L'objectif de la thèse est la simulation numérique de l'hydrodynamique et du mélange en colonnes à bulles. En régime homogène, les bulles de gaz montent uniformément; en augmentant le débit de gaz, le régime devient hétérogène avec la présence de "grosses" structures. Ces structures ont un caractère instationnaire et contribuent au mélange. Il s'agit donc de simuler ces structures. La première partie explique l'apparition des "grosses" structures à partir d'une analyse de stabilité d'une colonne à bulles. Un régime d'écoulement permanent et établi est perturbé. L'analyse détermine dans quelles conditions la perturbation s'amplifie. Notre approche permet d'unifier des travaux antérieurs et d'expliquer les différences entre les modèles. Le rôle prépondérant de la déformation des bulles est intégré à l'analyse de stabilité. L'analyse est validée à partir de mesures de la vitesse du gaz et la vitesse de propagation des ondes, à différentes vitesses de liquide. L'analyse de stabilité permet aussi de déterminer la transition entre régimes d'écoulement en colonne à bulles et en conduite. La deuxième partie est consacrée à la simulation numérique. Des simulations ont été menées dans un système parallélépipédique, fermé au liquide, avec une injection de gaz ponctuelle. La prédiction de "grosses" structures en présence d'un panache gazeux est validée avec les travaux de Sokolichin & Eigenberger (1994). Nous retrouvons le rôle déterminant de la modélisation de la masse ajoutée. Nous avons simulé une colonne à bulle de section rectangulaire, fermée au liquide avec une injection de gaz uniforme, en testant différentes options de modélisation de la traînée et de la masse ajoutée. A ces simulations de l'hydrodynamique ont été couplés des traçages effectués sur une hydrodynamique instationnaire qui démontrent le rôle essentiel des "grosses" structures sur le mélange dans une colonne à bulles.The objective of this thesis is the numerical simulation of hydrodynamics and mixing in bubble columns. Experimentally, two different flow behaviours for bubble columns can be observed. In the homogeneous flow, the gas bubbles move upward uniformly. If the gas flow rate increases, the system becomes heterogeneous. This flow is characterised by the presence of large structures. These structures have an unsteady behaviour, and it is possible that they enhance the mixing in bubble columns. In the first part, the existence of large structures in bubble columns is explained by a stability analysis. An uniform bubbly flow is perturbed and the analysis of stability determines the conditions at which this perturbation is amplified. This analysis is based on two main approaches presented in the literature. A particular objective of this research was the synthesis of such approaches, taking into account the importance of bubble deformation in stability. The proposed approach was validated with experimental data of gas velocity and kinematic velocity at several liquid flow rates. In addition this approach allows to analyse the stability and to determine the transition between flow regimes in bubble columns and in pipe flows. The second point is devoted to the numerical simulation of bubble columns in unsteady flows. Simulations were performed for a rectangular system without liquid flow and with a punctual gas flow rate (Sokolichin & Eigenberger, 1994). The importance of the added mass force which is modelled as a function of the gas fraction and bubble deformation is determined. Finally, a simplified CFD model of bubble column has been constructed with a rectangular surface and an uniformly distributed gas feed at the bottom. The aim of such simulations was to test different models for the drag and added mass forces. Simulated tracer tests were carried out and the results confirmed the importance of the large structures in terms of the concentration transport.TOULOUSE-INSA (315552106) / SudocSudocFranceF