Simulation numérique directe d’écoulements à bulles : couplage avec le transport de scalaire et la turbulence

This thesis is devoted to the study of homogeneous bubbly flows and their coupling with scalar transport and turbulence. It focuses on the effects of finite size, hydrodynamic interactions, and suspension microstructure, which are investigated using direct numerical simulations at the bubble scale. The dynamics of laminar buoyancy-driven bubbly suspensions is first revisited. More specifically, the effect of volume fraction on the bubble drift velocity is clarified by connecting numerical results to theory for dilute ordered systems, and similarities between perfectly ordered and free disordered suspensions are evidenced. These results are then used for the modeling of passive scalar transport in laminar suspensions as described by an effective diffusivity tensor, and crucial differences between ordered and disordered systems with respect to scalar transport are highlighted. Lastly, turbulence is included in the simulations, and its interaction with a finite-size bubble is characterized. The behavior of a bubble as large as Taylor microscale is shown to share a number of common features with that of a microbubble, most notably, the flow sampled by the bubble is biased. A definition of the liquid flow seen by the bubble, as it enters in usual models for the added mass and the lift forces, is finally proposedCette thèse est consacrée aux écoulements homogènes de bulles, ainsi qu'à leur couplage avec le transport d'un scalaire et la turbulence. Elle s'intéresse plus spécifiquement aux effets de taille finie, des interactions hydrodynamiques et de la microstructure de la suspension qui sont étudiés à l'aide de simulations numériques directes à l'échelle d'une seule bulle. La dynamique d'une suspension laminaire de bulles induite par la seule gravité est d'abord revisitée. L'influence de la fraction volumique sur la vitesse de dérive des bulles est établie analytiquement et numériquement pour une suspension parfaitement ordonnée, puis des ressemblances entre suspensions ordonnées et suspensions désordonnées sont mises en évidence. Ces résultats sont ensuite mis à profit pour la modélisation du transport d'un scalaire passif au sein d'une suspension laminaire, tel que décrit par une diffusivité effective tensorielle, et des différences essentielles entre systèmes ordonnés et systèmes désordonnés concernant le transport de scalaire sont mises en exergue. Enfin, la turbulence est prise en compte dans les simulations et son interaction avec une bulle de taille finie est caractérisée. Il est montré que le comportement dynamique d'une bulle de taille comparable à la microéchelle de Taylor ressemble qualitativement à celui d'une microbulle, avec, notamment, une préférence pour certaines régions caractéristiques de l'écoulement. Une définition de l'écoulement vu par la bulle compatible avec les modèles standards de masse ajoutée et de portance est finalement proposé