David Laupsien a soutenu son Doctorat en dynamiques des fluides au LISBP en 2017 sur la thématique de l’hydrodynamique, du transfert de masse et du mélange induits par les panaches de bulles dans les fluides visqueux. Il effectue depuis mars 2018 un post-doctorat de 12 mois en collaboration avec EDF sous la supervision d’Arnaud Cockx ( LISBP) et de Rémy Zamansky (IMFT) .
Cette étude s’inscrit dans le contexte de l’ingénierie des bioréacteurs, et plus particulièrement des réacteurs où des volumes importants de liquide doivent être mélangés ou agités avec un gaz. En faisant cela, la distribution de bulles de gaz dans le liquide devient plus homogène ce qui favorise les réactions chimiques ou biochimiques qui sont catalysée par le gaz contenu dans les bulles. Des exemples d’applications sont les bassins d’aération dans les usines de traitement des eaux usées ou les réacteurs de méthanisation. Cependant, la rhéologie du milieu peut fortement modifier la structure de ces écoulements gaz-liquide en termes de mélange et de transfert. Dans ce cas de figure, la répartition des injecteurs de gaz doit être adaptée aux dimensions du bassin pour contribuer au mélange du liquide. Ceci est autant plus vrai pour le bioréacteur de méthanisation où la rhéologie du liquide change en continu pendant la fermentation. Afin de mieux comprendre l’écoulement, le transfert massique et finalement le mélange dans ces situations, il a été décidé d’étudier le cas d’un panache de bulles, généré par un seul injecteur dans des liquides de différente viscosité.
Le projet s’appuie sur une large banque de données expérimentales caractérisant un panache de bulles dans un fluide visqueux obtenues par des techniques à différentes échelles telles que l’ombroscopie, la PIV, des capteurs de pression et des sondes à oxygène ont été utilisées. De cette façon, la morphologie et la vitesse des bulles, l’hydrodynamique dans la phase liquide ainsi le transfert massique à travers les interfaces ont pu être déterminés. Pour la mesure de la vitesse des bulles une nouvelle méthode, appelé « Bubble Image Velocimetry » (BIV), a été développée, puis un intérêt particulier a été porté au comportement oscillatoire du panache à basse fréquence.
Mon projet de post-doc a pour but de tester et valider la capacité du code de simulation NEPTUNE_CFD à reproduire numériquement les résultats expérimentaux. Pour cela, deux cas bien distincts ont été choisis. Le premier est un nuage de bulles ellipsoïdales de 4.5mm de diamètre équivalent généré dans l’eau par une membrane (figure 2). Les éléments de comparaison sont la structure macroscopique (figure 3) comprenant la période d’oscillation, des profils moyennés dans le temps de la fraction gazeuse, ainsi que les vitesses du gaz et du liquide que ce soit en moyenne d’ensemble, en fluctuations (RMS) ou en moyenne de phase par rapport à l’oscillation basse fréquence du panache. Après une étude préliminaire concernant les termes de fermetures du transfert entre phases, une simulation laminaire a été mise en œuvre pour simuler un panache de bulles à faible taux de gaz (<1%) et à des nombres de Reynolds modérés. Les résultats montrent un bon accord entre les expériences et les simulations en termes de fréquence (28s-EXP contre 27s-CFD) mais aussi en termes de profils horizontaux de vitesse et fraction de gaz.
Le deuxième cas de l’étude présente un ensemble de calottes sphériques générées par un injecteur « Slugflow » dans un milieu Newtonien, 100 fois plus visqueux que l’eau. Pour cela, on utilisera les modèles « GLIM » (Generalized Large Interface Model) et « LBM » (Large Bubble Model) récemment implémentés dans NEPTUNE_CFD pour comparer aux données expérimentales les résultats numériques et analyser de manière plus complète les modèles physiques pertinents dans ce type de situation.