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Quelques aspects des forces hydrodynamiques et des transferts de chaleur sur une bulle sphérique

Legendre, Dominique. Quelques aspects des forces hydrodynamiques et des transferts de chaleur sur une bulle sphérique. PhD, Institut National Polytechnique de Toulouse, 1996

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Official URL: http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00000655/

Abstract

Ce travail est consacré à l'étude par simulation numérique des échanges de quantité de mouvement et d'énergie entre une bulle sphérique et un écoulement pour des nombres de Reynolds compris entre 0.1 et 500. Pour cela, les équations complétes tridimensionnelles de Navier-Stokes et d'advection-diffusion d'un scalaire sont résolues numériquement en coordonnées curvilignes orthogonales par une méthode de volumes finis. Plusieurs résultats nouveaux concernant les transferts interfaciaux et les forces liées à l'inertie de l'écoulement ont été apportés. Ainsi, il apparaît que les effets d'histoire thermique sont dans certaines situations d'écoulements instationnaires prépondérants alors que l'influence de la déformation spatiale de l'écoulement peut être considérée comme négligeable. L'étude de I'ébullition et de la condensation d'une bulle de vapeur en présence d'un écoulement uniforme, où l'échange d'énergie à l'interface gouverne l'évolution du rayon de la bulle, montre que ces deux phénomènes sont en fait très différents tant en ce qui concerne le transfert interfacial que les aspects hydrodynamiques. La force de masse ajoutée induite par l'évolution du volume de la bulle correspond en écoulement visqueux à celle obtenue pour un fluide parfait et la présence d'effets d'histoire notables est essentiellement liée aux conditions initiales du changement de phase. Une grande partie de ce travail a ensuite été consacrée à l'étude de la force de portance exercée sur une bulle par des écoulements rotationnels etlou de déformation. Le coefficient de portance induit par un cisaillement pur est, pour un nombre de Reynolds suffisamment grand, indépendant de la vorticité de l'écoulement et très proche du résultat connu en fluide parfait. Lorsque la viscosité devient prépondérante, ce coefficient dépend à la fois de la viscosité et de la vorticité de l'écoulement. L'extension de la théorie de Saffman a permis d'obtenir l'expression analytique de la force de portance sur une bulle à petit nombre de Reynolds qui a ensuite été confirmée par les simulations. En écoulement plus complexe (déformation plane, rotation solide) la force subie par la bulle est la superposition de la force d'inertie induite par la déformation de l'écoulement et de la force de portance liée au champ de vorticité. Enfin, I'étude de la force d'interaction résultant de la proximité d'une paroi ou de la présence d'une autre bulle a permis de monter que lorsque le nombre de Reynolds décroît cette force devient répulsive pour des distances de l'ordre du diamètre de la bulle alors que la théorie potentielle ne prédit que des forces attractives.

Item Type:PhD Thesis
Uncontrolled Keywords:
Institution: Université de Toulouse > Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT
Laboratory name:
Research Director:
Magnaudet, Jacques
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