Dynamics of large bubbles in tubes : application to emptying and filling thanks
Etude de la dynamique des bulles infinies : application à l'étude de la vidange et du remplissage de réservoir
Résumé
The object of this thesis is a theoretical and experimental study of .lling and draining process of tanks. The .rst part deals with the experimental study of the draining of vertical tubes of di.erent cross sections by long bubbles. Several scaling laws for the dynamic of this bubble are found : in the high-Reynolds number domain, the perimeter of the normal cross section is shown to be the relevant lenght for bubble dynamic. In the low-Reynolds number range, the relevant square lenght is the area of the normal cross section. Theoretically, a local approach, based on the structure of the .ow at the stagnation point does account for the behaviors observed. The second part is dedicated to the study of .lling and draining time to reach the equilibrium state. We show experimentally that long bubble dynamic is the relevant phenomenon for this two con.gurations. Periodic emission of bubbles which occurs during .lling and draining process is studied in the third part. In case of draining process, the importance of the compressibility of the air pocket in the tank is shown : this phenomenon is similar to the "Gluglug" of a draining bottle. In the .lling case, Physical laws describing periodic emission of bubbles shows signi.cant di.erences exist between the two con.gurations.
L'objet de cette thèse est d'étudier expérimentalement et théoriquement les régimes permanents et oscillants observés lors de la vidange et du remplissage de réservoirs. La première partie concerne l'étude de la vidange continue d'un tube par l'intermédiaire d'une bulle infinie (bulle de Dumitrescu-Taylor). L'étude expérimentale de la dynamique de ces bulles est menée en fonction de la forme de la section du tube, de la viscosité et de la tension de surface. Dans le domaine des grands nombres de Reynolds, la longueur pertinente pour l'étude de la dynamique s'avère être le périmètre mouillé tandis qu'`a faible nombre de Reynolds, c'est la surface de la section qui pilote la dynamique. La seconde partie est consacrée `a l'étude aux temps longs (régime permanent) du remplissage et de la vidange de réservoirs cylindriques. On montre expérimentalement que les bulles infinies jouent un rôle central dans les processus de vidange et de remplissage de réservoirs. Le temps court des oscillations, i.e. la période d'apparition des bulles d'air, est ensuite étudié dans les deux configurations vidange-remplissage. Dans le cas de la vidange, le rôle de la poche d'air compressible présente au fond du tube est mis en évidence ; ce phénomène s'apparente au "glouglou" de la bouteille que l'on vide. Dans le cas du remplissage, on montre la présence d'un oscillateur de nature différente.
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