Analyse expérimentale et modélisation du transfert de matière et du ...

Chapitre 1: Introduction généralemoyens et turbulents et sur le taux de présence des phases; donc sur les mécanismes detransfert et de transformation.La mécanique des fluides numérique (CFD) est de plus en plus utilisée pour répondre àces questions. Appliquée aux réacteurs de traitement de l’eau, elle permet d’obtenir desinformations sur l’hydrodynamique locale (caractérisation des vitesses des différentesphases mises en jeu, du taux de présence, des champs de turbulence) qui joue un rôleessentiel dans le mélange, le transport et les transferts. L’utilisation de la modélisation desprocédés a suivi l’essor des ordinateurs et l’augmentation de leur puissance.Cependant ces perspectives de développement nécessitent une meilleure compréhensiondes échanges aux interfaces pour décrire les mécanismes de transferts et mieuxreprésenter ensuite les échanges globaux. D’une façon générale, la présence des interfacesen écoulement à bulles introduit de nouvelles échelles caractéristiques du mouvement desinterfaces qui peuvent modifier profondément la structure du champ fluctuant. Lamodulation de la turbulence du liquide par les bulles se traduit aussi par la modificationdes propriétés du transport turbulent et du transfert de masse aux interfaces.Ce travail s’inscrit dans la poursuite d’une collaboration engagée il y a quelques années,entre l’Ecole Nationale des Ingénieurs de Tunis et l’Institut de Mécanique des Fluides deToulouse. Il s’inscrit dans le cadre d’un programme Franco-Tunisien de coopérationCMCU. Dans le cadre de cette collaboration nos équipes travaillent au développementd’un modèle Eulérien à deux fluides pour la simulation des écoulements à bulles à grandsnombres de Reynolds particulaires. Depuis quelques années, des modèles de fermeture,qui prennent en compte le couplage inverse, ont ainsi été proposés pourl’hydrodynamique. Ces modèles permettent de reproduire les comportementshydrodynamiques d’écoulements turbulents de complexités variées (avec des effets deparois, de taux de vide important pour se rapprocher des situations fréquemment utiliséesdans le domaine des applications …). Pour progresser dans la modélisation desécoulements diphasiques, il nous est apparu nécessaire de développer également desmodèles pour le transfert interfacial de masse et pour le mélange d’un constituant dissousen phase liquide. Ce projet de thèse, qui a été soutenu par une bourse de docteur ingénieurdu CNRS pour les pays en développement, est donc construit pour tenter de démontrer« Les apports de la simulation numérique dans l’optimisation des réacteurs de traitementde l’eau en écoulements à bulles».Nous avons choisi de travailler sur une configuration d’écoulement de zone de mélangeturbulente à bulles (eau-oxygène), dans des conditions variées de taux de vide (modéré2% à fort 11%). Cet écoulement a pu être exploré par voie expérimentale sur l’installationde zone de mélange à bulles de l’IMFT. Il présente également l’avantage d’avoir uncomportement hydrodynamique fortement soumis au couplage inverse comme on le verraplus loin. En ce sens il est relativement représentatif d’écoulements en situationindustrielle. Cependant il présente un développement graduellement varié par rapport aux3