L'injection de bulles dans un écoulement de Taylor Couette pour les régimes de transition vers la turbulence permet d'étudier les mécanismes d'interaction entre les bulles et des structures cohérentes contrôlées. Des études récentes se sont intéressées à la dispersion des bulles dans un écoulement de Taylor Couette, avec cylindre intérieur en rotation ([1] et [2]). Elles ont mis en évidence un arrangement préférentiel des bulles dans les cellules contra-rotatives de Taylor ou dans les zones de jets sortants entre cellules près du cylindre intérieur. Cependant, il n'existe pas à l'heure actuelle de modèle prédictif du taux de vide pour ce type d'écoulement.

Le travail expérimental vise à établir les paramètres de normalisation et les lois adimensionnelles d'évolution du taux de vide et de la cinématique des bulles dans un écoulement de Taylor Couette, avec cylindre intérieur en rotation.

Le dispositif a un rapport des rayons de 0.909, une largeur d'entrefer d de 20mm et un rapport d'aspect (hauteur L/d) égal à 44. Deux mélanges différents d'eau/glycérine ont été testés et permettent de couvrir une gamme de nombre de Reynolds Re=Vid/nu entre 1400 et 20000, Vi étant la vitesse orthoradiale du cylindre intérieur et nu la viscosité du mélange. Des trous micro-percés situés en bas du dispositif permettent d'injecter des bulles d'air sphériques de diamètre entre 0.05d et 0.06d. Les deux mélanges permettent de faire varier la vitesse ascensionnelle des bulles et la capacité de capture en bulles du dispositif.

Nous avons procédé à des visualisations rapides des bulles dans l'entrefer et analysé les images en combinant des méthodes d'intercorrélation et de tracking. Le taux de vide global intégré sur la largeur d'entrefer et sur une longueur d'onde axiale ainsi que les composantes de vitesse azimutale et axiale du gaz en moyenne temporelle ont été analysés pour les 2 mélanges, en faisant varier le nombre de Reynolds et le débit d'air Qg. On définit la fraction volumétrique de contrôle alpha=Qg/(Vi d L) qui varie entre 0 et 0.1%. D'autre part, les cellules de Taylor (circulation, taille) ont été caractérisées par Particle Image velocimetry en régime monophasique.

Nous avons mis en évidence que le taux de vide normalisé par la fraction volumétrique de contrôle évolue linéairement avec le carré du nombre de Froude. Ce nombre de Froude compare la force d'inertie des cellules, favorable à la capture des bulles, à la force d'Archimède. Il dépend de la circulation dans les cellules et de la longueur d'onde en monophasique. La vitesse axiale du gaz normalisée par sa vitesse débitante évolue comme l'inverse du carré du Froude et l'inverse de la fraction volumétrique de contrôle. La vitesse azimutale normalisée par la vitesse Vi évolue en logarithme de la fraction volumétrique de contrôle. Les lois obtenues sont des lois de similitude, valables pour différents mélanges. Leur validité pour différentes géométries reste à étudier.

[1] Chouippe, A., Climent, E., Legendre, D., Gabillet, C., 2014, Numerical Simulation of Bubble Dispersion in Turbulent Taylor-Couette Flow, Physics of Fluids, Vol.26, Issue 4 (22p).

[2] G. Ndongo Fokoua, C. Gabillet, A. Aubert, and C. Colin, 2015, Effect of bubble's arrangement on the viscous torque in bubbly Taylor-Couette flow, Phys. Fluids 27, 034105 (34p)