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

Chapitre 2: Modélisation à deux fluides de l’hydrodynamique et du transfert de masse dans les écoulements à bulleslesquels la structure même de l’écoulement dépend de la distribution des phases. Cesdifficultés concernent la modélisation de la turbulence et de son effet sur la distributiondes phases (Joshi, 2001 ; Sokolochin et al., 2004). Une grande partie du problème résidedans la formulation encore incomplète des fermetures employées pour décrire lestransferts interfaciaux.Les travaux réalisés dans le domaine des écoulements à bulles à grand nombre deReynolds du mouvement relatif ont montré que le caractère diphasique de l'écoulement,particulièrement difficile à prendre en compte, est essentiellement du à la modification dela structure de la turbulence du liquide par les interfaces. Les résultats expérimentauxdisponibles en présence de couplage inverse fort montrent le grand effet des interactionsinterfaciales sur la modification de la structure de la turbulence de la phase liquide: laprésence des bulles modifie les différents mécanismes de la turbulence (diffusion,production, dissipation et redistribution) (Lance et al., 1991 ; Roig et al., 1998 ; Serizawaet al., 1992 ; Liu & Bankoff, 1990 ; etc.). Il apparaît que ces effets ne peuvent êtrereprésentés dans des modèles au point qu’à l’aide de fermetures au second ordre de laturbulence pour prendre en compte, par des échelles appropriées, les effets interfaciauxsur les différents mécanismes et en particulier sur la redistribution de la turbulence (Lanceet al., 1991 ; Troshko & Hassan, 2001 ; Chahed et al., 2003).D’autre part, les expériences menées dans différentes configurations d’écoulements àbulles (élargissement brusque (Bel F’dhila, 1991), micro-gravité (Kamp, 1996), sillage(Roig, 1993), etc.) indiquent clairement le rôle essentiel de la turbulence de la phaseliquide dans la répartition de la phase dispersée. L’effet de la turbulence sur ladistribution des phases en écoulement à bulles est double. Il y a d’une part, les gradientsde pression qui s’imprègnent de la turbulence de la phase liquide ; il y a d’autre part lacontribution turbulente de l’échange interfacial qui fait intervenir les tenseurs decorrélations turbulentes dans le liquide et dans le gaz (Bel F’dhila & Simonin, 1992 ;Chahed et al., 2003). Le problème majeur de fermeture de la turbulence en écoulement àbulles porte donc sur la modélisation des tenseurs des contraintes turbulentes dans leliquide et dans le gaz.Une autre difficulté est liée à la méconnaissance des milieux denses qui intéressentl’industrie. Dans les écoulements diphasiques à forts taux de présence du gaz, lesinteractions hydrodynamiques sont fortes et elles ont des effets importants sur la structurede l’écoulement. Ces forts couplages entre la phase continue et la phase disperséen’autorisent pas les simplifications généralement adoptées dans les modèles eulériens àdeux fluides valables la plupart du temps pour des écoulements ensemencés en bullessphériques de faible taille et à faible taux de vide. Des travaux expérimentaux et desdéveloppements sont ainsi nécessaires pour modéliser l'effet des interactionshydrodynamiques sur le transfert interfacial, sur la turbulence et sur la distribution desphases.6