Ecoulements diphasiques gaz-liquides lors d'échanges gravitaires

During gravity exchange across a neck between two reservoirs containing a liquid and a gas separately, a highly unsteady, multi-scale, two-phase flow develops. In this experimental work, two configurations were explored : (i) the emptying of a cylinder for large-diameter necks, and (ii) the filling of a cylinder, initially containing a gas and immersed in a volume of liquid. In these configurations, the coupling between the compressibility of the gas volume and the liquid mass, which evolve over time, generates oscillator-like behavior. This study analyzes and describes this behavior, as well as the mechanisms governing the population of bubbles created within the liquid. Experiments have shown that, for large bottlenecks (d∗ ≥ 0.8), emptying takes place by the propagation of a Taylor bubble whose base remains attached to the bottleneck without the initial filling level moving, the liquid flow being confined within the liquid film surrounding the bubble. The bubble's rate of ascent is then periodically modulated by the inlets and outlets at the neck. This type of emptying is very different from small-diameter emptying, which involves the periodic formation of swarms of bubbles and the expulsion of volumes of liquid. Despite this radical change, for d∗ ≥ 0.8 the scaling laws of exchange times and flow oscillation periods, established by Clanet et al. (2004) for smaller diameters, are still respected. We have developed two models to predict the amplitude of pressure oscillations and the coupling between free surface and Taylor bubble motions. They are in good agreement with observations. As for cylinder filling, its behavior is similar to that of a Helmholtz oscillator. Experiments have been carried out to analyze the succession of temporal phases of this transient flow (alternating water inlets and air outlets during progressive filling, water jet impacting the bottom of the cylinder and creating multiple gas inclusions, plunging jet feeding the two-phase medium with bubbles, disappearance of the gas buffer, final settling phase for d∗ ≥ 0.8). Generally speaking, a change in flow properties is observed for d∗ ≥ 0.8, which is linked to a change in the fluid inlet and outlet regime at the neck. We have extended the characteristic time scaling laws given by Héraud (2002) for d∗ ≤ 0.6. Measurements of the oscillation period show that for a wider range of diameters, the analogy with a Helmholtz oscillator remains valid. Spectra of the pressure signals revealed the presence of an energy peak at a frequency higher than that of the resonator, which is the signature of the volume oscillations of the large bubbles formed by the plunging jet. The two-phase content of this flow was analyzed on the basis of video recordings, giving in particular the thickness of the zone occupied by bubbles when it results from the entrainment of air by the plunging jet. A model of this jet has been developed. Its main specificity is to take into account confinement in the form of an adverse pressure gradient. The comparison between experimental measurements and model predictions is satisfactory for d* values between 0.3 and 0.6. For cases with lower or higher d*, the measurement is highly inaccurate, or the plunging jet is replaced by a mass collapse of the liquid in the cylinder. In a final, more exploratory chapter, measurements of gas volume fraction, velocity and bubble size using local optical probes are reported. They pave the way for a discussion of the bubble population created by the flow and its temporal evolution.Lors de l'échange gravitaire au travers d'un orifice entre deux réservoirs contenant séparé- ment un liquide et un gaz, un écoulement diphasique fortement instationnaire et multi-échelle se développe. Dans ce travail expérimental, deux configurations ont été explorées : (i) la vidange d'une bouteille pour des goulots de grand diamètre et (ii) le remplissage d'un cylindre, contenant initialement un gaz et immergé dans un volume de liquide. Dans ces configurations, le couplage entre la compressibilité du volume de gaz et la masse de liquide qui évoluent dans le temps, génère un comportement d'oscillateur. Cette étude analyse et décrit ce comportement ainsi que les mécanismes régissant la population de bulles créée au sein du liquide. Les expériences ont montré que, pour de larges goulots (d∗ ≥ 0.8), la vidange s'effectue par propagation d'une bulle de Taylor dont le culot reste attaché au goulot sans que le niveau initial de remplissage ne bouge, l'écoulement de liquide étant confiné dans le film liquide qui entoure la bulle. La vitesse d'ascension de la bulle est alors modulée périodiquement par les entrées - sorties au goulot. Cette typologie de vidange est très différente de celle à faible diamètre d'ouverture qui se déroule par la formation périodique d'essaims de bulles et expulsion de volumes de liquide. Malgré ce changement radical, pour d∗ ≥ 0.8 les lois d'échelles des temps d'échange et des périodes d'oscillation de l'écoulement, établies par Clanet et al. (2004) pour des diamètres plus petits, sont toujours respectées. Nous avons développé deux modèles permettant de prédire l'amplitude des oscillations de pression et le couplage entre les mouvements de la surface libre et de la bulle de Taylor. Ils sont en accord avec les observations. Le remplissage d'un cylindre a, quant à lui, un comportement analogue à celui d'un oscillateur de Helmholtz. Les expériences réalisées ont permis d'analyser la succession des phases temporelles de cet écoulement transitoire (entrées d'eau et sorties d'air alternatives durant un remplissage progressif, jet d'eau impactant le fond du cylindre et créant de multiples inclusions gazeuses, jet plongeant qui alimente le milieu diphasique en bulles, disparition du tampon gazeux, ultime phase de décantation pour d∗ ≥ 0.8). De façon générale, un changement des propriétés de l'écoulement est observé pour d∗ ≥ 0.8, qui est lié à un changement de régime des entrées et sorties de fluide au niveau du goulot. Nous avons étendu les lois d'échelle des temps caractéristiques données par Héraud (2002) pour d∗ ≤ 0.6. Les mesures de la période des oscillations montrent que pour une gamme de diamètres plus larges, l'analogie avec un oscillateur de Helmholtz reste valable. Les spectres des signaux de pression ont révélé la présence d'un pic d'énergie à une fréquence plus haute que celle du résonateur, qui est la signature des oscillations en volume des bulles de grande taille formées par le jet plongeant. Le contenu diphasique de cet écoulement a été analysé à partir d'enregistrements vidéographiques qui donnent en particulier, l'épaisseur de la zone occupée par les bulles quand elle résulte de l'entrainement d'air par le jet plongeant. Un modèle de ce jet a été développé. Sa spécificité principale est de prendre en compte le confinement sous la forme d'un gradient de pression adverse. La confrontation entre mesures expérimentales et prédictions du modèle est satisfaisante pour des valeurs de d* comprises entre 0,3 et 0,6. Pour les cas à plus faible ou plus fort d* la mesure est très imprécise ou le jet plongeant est remplacé par un effondrement en masse du liquide dans le cylindre. Dans un dernier chapitre plus exploratoire des mesures de fraction volumique de gaz, de vitesses et de tailles de bulles par sonde optique locale sont reportées. Elles ouvrent la voie à une discussion de la population de bulles créée par l'écoulement et de son évolution temporelle