Hydrodynamique et transfert de masse autour d'une bulle confinée entre deux plaques

Ce travail de recherche est consacre a l'etude experimentale de la dynamique d'une bulle isolee "bidimensionnelle", ainsi qu'a celle du transfert de masse de cette bulle vers la phase liquide pour le couple de fluides eau-oxygene. L'aspect bidimensionnel des bulles vient du fait qu'elles sont confinees entre 2 plaques. La gamme de nombres a dimensionnels que nous avons balayee dans notre etude a ete peu etudiee pour ce genre de dispositif. Dans cette etude, les effets inertiels lies a la perturbation de vitesse provoquee par le passage de la bulle ne sont pas negligeables devant le frottement aux parois. L’etude de l'hydrodynamique de la bulle est realisee grâce a l'utilisation de techniques de mesure optique : ombroscopie et velocimetrie par image laser (PIV). En raison de la geometrie 2D de la cellule, un eclairage en volume du champ d'investigation est realise pour les mesures PIV. Il est montre que la PIV mesure la vitesse moyenne du liquide dans l’epaisseur entre les plaques, lors du passage d'une bulle. Les mesures par ombroscopie permettent d’etudier la trajectoire et la forme de la bulle au cours du temps pour une large gamme de nombres de Reynolds (50-6000). On montre que la vitesse moyenne des bulles verifie la loi d’echelle U = 0.5√gd compatible avec une interface non contaminee. D'autre part, l’etude de l’instabilite du mouvement et de la forme permet d'identifier differents regimes d’ecoulement et notamment de montrer que la forme moyenne des bulles et la structure du sillage sont essentiels pour comprendre l’evolution des oscillations. De plus, les champs de vitesse issus de la PIV donnent l’evolution du sillage a l’arriere de la bulle en fonction du nombre d’Archimede et mettent en evidence deux structures clairement differentes, suivant que les bulles sont des calottes avec une trajectoire rectiligne, ou des ellipsoides qui oscillent. Ils montrent egalement que, quelque soit le nombre de Reynolds, le sillage decroit rapidement a cause du confinement. L’etude du transfert de l’oxygene, contenu dans la bulle, vers le liquide, est realisee au moyen de la technique de fluorescence induite par nappe laser (PLIF), avec inhibition de la fluorescence par l’oxygene dissous, et avec un eclairage en volume de la cellule. L'analyse des images de fluorescence permet de distinguer le transfert de matiere issu de deux regions de l'interface de la bulle : la surface en contact avec les films liquides entre la bulle et les plaques, et la surface peripherique de la bulle. Le transfert de masse par les films se faisant dans un espace mince et proche des parois, l’oxygene n'est pas reparti de maniere uniforme dans l’epaisseur aux temps courts apres le passage de la bulle. La non linearite du signal de fluorescence avec la concentration en oxygene implique de prendre en compte la repartition de l’oxygene entre les plaques. Un modele de repartition de l’oxygene entre les plaques est propose, et confronte a des mesures de concentration entre les plaques apres diffusion ; cette demarche permet de determiner la contribution relative des deux surfaces au transfert. Les flux de matiere ainsi que les densites de flux issus de chacune des deux regions de la surface de la bulle sont calcules et discutes. ABSTRACT : This work reports an experimental investigation dedicated to hydrodynamics and mass transfer for an isolated bubble confined between two plates separated by a distance smaller than bubble diameter. In a large range of bubble Reynolds numbers (50-6000), the path and shape oscillations have been studied by means of the shadowgraph technique, and the fluid velocity has been measured by Particle Image Velocimetry. Different flow regimes have been identified, and it appears that the mean bubble shape and the wake structure are key parameters of the shape and path oscillation phenomena. The oxygen transfer from an oxygen bubble to the liquid was studied by means of the Planar Laser Induced Fluorescence technique. The results emphasize the contribution to the oxygen transfer of two interface areas : the surface in contact with the liquid films laying between bubble and plates, and the lateral surface of the bubble