Etude expérimentale des régimes de coexistence toroïdal/spiral en écoulement de Taylor Couette diphasique avec injection de bulles

Abstract

Notre étude, expérimentale, s’inscrit dans le contexte de la réduction de frottement de paroi par injection de bulles millimétriques. Elle fait suite aux travaux de Mehel (2006), et de Fokoua (2013). On s’intéresse à la modulation du frottement, aux caractéristiques des cellules de Taylor et à la structuration de la phase gazeuse, pour des régimes de coexistence (alternance de motifs toroïdal-spiral). La géométrie d’entrefer est caractérisée par un rapport des rayons de 0,9. Le Reynolds varie entre [1700-50000] et la fraction volumétrique d’air entre [0-0,1%]. Par visualisations haute fréquence et analyse des défauts (dislocations et fusions de cellules), on a caractérisé la transition entre les régimes de coexistence structurée, coexistence déstructurée et chaos développé. Par Stéréo-PIV (2D3C), on a caractérisé la phase liquide dans un plan méridien et discriminé les contributions respectives des mouvements aléatoire et cohérent à la turbulence. Les mesures en simultané du couple exercé sur le cylindre intérieur ont mis en évidence que différents mécanismes influencent le frottement de paroi : cisaillement turbulent dû au sillage des bulles, dû aux jets entre cellules et relaxation du gradient de vitesse azimutale. L’analyse en fonction des motifs et des régimes montre que le couple maximum est atteint pour le motif toroïdal en régime structuré. Les images haute fréquence des bulles ont été analysées en discriminant les bulles par leur position radiale dans l’entrefer. On obtient des lois de similitude pour le taux de vide et la vitesse axiale du gaz en fonction des nombres de Froude de rotation des cellules ou du cylindre intérieur. La fraction volumétrique d’air contrôle la vitesse ascensionnelle des cellules, la vitesse azimutale du gaz et la fréquence de l’onde azimutale