Bubble rise dynamics in a quiescent liquid and impact on a cylinder

Publication : Bubble rise dynamics in a quiescent liquid and impact on a cylinder

Revue : International Journal of Multiphase Flow

Cette étude s’intéresse à la dynamique d’une bulle en ascension dans un liquide et à son interaction avec un cylindre fixe, en utilisant une approche numérique à deux fluides. Cette méthode est évaluée par comparaison avec des données expérimentales et avec une approche à un fluide, sur une large gamme de conditions physiques. L’analyse porte notamment sur la modélisation des forces générées lors de l’impact et sur l’influence des principaux paramètres adimensionnels caractérisant l’écoulement.

Les écoulements diphasiques liquide-gaz jouent un rôle essentiel dans de nombreux équipements industriels, notamment dans les générateurs de vapeur du parc nucléaire. Dans ces composants, des écoulement eau-vapeur interagissent avec les faisceaux de tubes et peuvent engendrer des vibrations susceptibles d’affecter leur tenue mécanique à long terme. Comprendre finement les interactions entre les bulles et les structures constitue donc un enjeu important pour la sûreté des installations.

Cette étude s’inscrit dans une démarche de recherche visant à mieux caractériser les mécanismes physiques locaux à l’origine de ces interactions fluide-structure. Elle constitue la première étape d’une stratégie de modélisation destinée à améliorer la compréhension et la représentation des écoulements diphasiques rencontrés dans les générateurs de vapeur.

Les résultats obtenus contribuent au développement et à la validation des modèles diphasiques utilisés dans les outils de simulation CFD d’EDF, notamment le code neptune_cfd. La corrélation proposée pour prédire les efforts exercés lors de l’impact d’une bulle sur un cylindre solide permet d’améliorer la prédiction des sollicitations mécaniques générées par des écoulements diphasiques.

A plus long terme, ces avancées doivent contribuer à une meilleure estimation des efforts subis par les faisceaux de tubes des générateurs de vapeur et à renforcer la capacité des simulations numériques à étudier les phénomènes de vibration sous écoulement.

Cette étude porte sur la dynamique d’une bulle en ascension dans un liquide au repos et impactant un cylindre fixe à l’aide d’une approche résolue dite à deux fluides. Cette approche est validée par comparaison avec des données expérimentales et confrontée à une approche à un fluide à travers des simulations axisymétriques 2D et des simulations 3D couvrant une large gamme de nombres de Reynolds, de nombres d’Eötvös et de rapports de densité. 
Le modèle à deux fluides reproduit avec précision la forme de la bulle, sa vitesse terminale ainsi que la dynamique d’impact, en accord avec les observations expérimentales et les résultats de l’approche à un fluide. Une analyse détaillée du coefficient de force d’impact exercé par la bulle sur le cylindre est réalisée à l’aide de l’approche à deux fluides, en faisant varier les nombres de Reynolds et d’Eötvös de la bulle, ainsi que les rapports de densité, de viscosité et le rapport des diamètres bulle-cylindre (𝑅𝑒_b ∈ [1, 80], 𝐸𝑜 ∈ [10, 116], ρ_l/ρ_g ∈ [25, 1000], μ_l/μ_g ∈ [10, 100] et d_b/D_c ∈ [0.5, 1.0]).

Les résultats montrent que, lorsque les paramètres adimensionnels sont étudiés séparément, le nombre de Reynolds de la bulle est le paramètre le plus influent sur le coefficient de force d’impact, suivi par le rapport de diamètres bulle-cylindre et le nombre d’Eötvös, tandis que les effets des rapports de viscosité et de densité sont plus faibles. Une corrélation du coefficient de force d’impact (associé à la force exercée par la bulle sur le cylindre lors de l’impact) est proposée et pourrait également être utile pour les méthodes Euler–Lagrange de type particule ponctuelle.

Fanny Beltran - Doctorante CIFRE entre EDF R&D et l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT), Fanny Beltran mène des recherches sur la modélisation CFD des écoulements diphasiques en faisceaux de tubes. Ses travaux visent à mieux comprendre les phénomènes de vibration sous écoulement dans les générateurs de vapeur du parc nucléaire.

William Benguigui - Ingénieur-chercheur à EDF R&D au sein du département Mécanique des fluides, énergie et environnement (MFEE) et chercheur associé au laboratoire IMSIA, William Benguigui travaille sur les interactions fluide-structure impliquant des écoulements diphasiques à l’aide de neptune_cfd et de maquettes expérimentales pour des applications dans les domaines nucléaire, hydraulique et maritime.

Nicolas Mérigoux - Ingénieur-chercheur à EDF R&D au sein du département Mécanique des fluides, énergie et environnement (MFEE), Nicolas Mérigoux développe le code de CFD multiphasique neptune_cfd. Ses travaux contribuent à l’amélioration de la modélisation des écoulements diphasiques.

Thomas Bonometti - Professeur à Toulouse INP (ENSEEIHT) et chercheur à l’IMFT au sein du groupe Fluides et Particules, Thomas travaille notamment sur les écoulements particulaires, les courants gravitaires et les écoulements multiphasiques en contexte environnemental et géophysique.

Catherine Colin - Professeure à Toulouse INP (ENSEEIHT) et chercheuse à l’IMFT au sein du groupe Interfaces, Catherine Colin est spécialiste des écoulements diphasiques gaz-liquide. Ses recherches couvrent notamment sur la dynamique des bulles, les mécanismes de coalescence et de fragmentation, l’ébullition et les transferts thermiques, étudiés aussi bien en conditions normales qu’en microgravité.