Thèse Année : 2024

Bubble deformation and fragmentation in turbulence

Déformation et fragmentation de bulles en turbulence

Résumé

Through their contributions to mixing, gas and heat transfers and aerosol production, bubbles play a central role in many industrial and environmental contexts, characterized by inertial flows, possibly turbulent. Understanding the physical processes controlling the bubble size distribution (BSD) and its temporal evolution, is key to quantify these exchanges.In dilute environments, in which breakup dominates, the BSD is characterized by two power laws separated by a critical size.We first focus on the origin of this critical size.This size is known to be related to the Kolmogorov-Hinze scale, the size separating statistically stable, from unstable bubbles in turbulence.As a turbulent flow is characterized by large velocity and pressure fluctuations, this size is only defined in a statistical sense.We give here a new definition of this critical size, in terms of survival probability, which includes the residence time of bubbles within turbulent regions.To do so, we investigate numerically bubble deformations first in a model flow geometry and then in 3D homogeneous and isotropic turbulence (HIT).In both cases, we find that most of bubble deformation dynamics can be reproduced by a 1D model of the oblate-prolate mode.By extrapolating the deformation model obtained in turbulence to breaking bubbles, we deduce the probability of breaking and the evolution of the critical size in time.We then investigate the generation of sub-Hinze bubbles.While there is a consensus for the origin of the power-law scaling for the super-Hinze BSD, the sub-Hinze BSD remained to be understood.By running DNS of bubbles in turbulence, we identify that sub-Hinze bubbles come from the fracture of gas filaments produced during the deformations of super-Hinze bubbles.We characterize filament production in a model flow configuration, as well as filament splitting.We find that filament breaking under stretching universally produces a power-law distribution, which coincides with the one obtained below breaking waves. This mechanism explains the origin of the sub-Hinze BSD.
La présence de bulles dans des écoulements contribuent à augmenter le mélange, ainsi que les échanges de matière et de chaleur entre les deux phases. Leur présence est ainsi primordiale dans un grand nombre de procédés industriels ainsi que dans des contextes environnementaux, caractérisés par des écoulements inertiels voire turbulents. Pour quantifier l'impact des bulles, il faut d'abord comprendre et modéliser leur distribution de taille, et son évolution temporelle. Dans des environements dilués, où l'évolution de la distribution est contrôlée par la fragmentation, la distribution présente deux lois de puissance séparées par une taille critique.Dans un premier temps, nous nous intéressons à l'origine de la taille critique.Celle-ci correspond à la limite entre les bulles stables et instables, appelée échelle de Kolmogorov-Hinze.Les écoulements turbulents étant intrinsèquement caractérisés par de larges fluctuations, à la fois de pression et de vitesse, cette taille critique reste mal définie.Ici, nous proposons une nouvelle définition, probabiliste, de cette limite, qui inclue le temps de résidence des bulles dans les zones turbulentes.Pour cela, nous étudions numériquement la déformation d'une bulle, d'abord dans une géométrie d'écoulement modèle puis dans un écoulement turbulent homogène isotrope.Dans les deux cas, nous montrons que la dynamique de déformation peut être reproduite par une dynamique 1D sur le mode de déformation oblate-prolate.En extrapolant la dynamique obtenue dans le cas turbulent à des bulles qui cassent, nous quantifions la probabilité de fracture en un temps donné et en déduisons l'évolution de la taille critique au cours du temps.Dans un second temps, nous nous intéressons à la génération de bulles sous l'échelle de Kolmogorov-Hinze.En effet, s'il y a un consensus sur l'origine de la distribution des bulles plus grandes que la taille critique, l'origine de la distribution pour les petites bulles restait à déterminer.Grâce à des simulations numériques directes, nous identifions que ces bulles proviennent de la rupture de filaments gazeux produits lors de la déformation de bulles plus grandes que l'échelle critique. Nous caractérisons ensuite la production et la fragmentation de ces filaments dans une géométrie d'écoulement modèle.Nous découvrons que la fragmentation de ligaments sous contrainte d'étirement conduit à une distribution de taille de bulles en loi de puissance qui coïncide avec la distribution sous l'échelle critique en turbulence.
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tel-04867915 , version 1 (06-01-2025)
tel-04867915 , version 2 (16-01-2025)

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Identifiants

  • HAL Id : tel-04867915 , version 2

Citer

Aliénor Rivière. Bubble deformation and fragmentation in turbulence. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2024. English. ⟨NNT : 2024UPSLS024⟩. ⟨tel-04867915v2⟩
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