Bubbles and microbubbles for hydrodynamic test facilities

Bulles et microbulles pour moyens d'essais en hydrodynamique

¹ HYDEO France, 45 avenue Alsace Lorraine 38000 Grenoble, France
ylec@wanadoo.fr
² YLEC Consultants, 24 boulevard de la Chantourne 38700 La Tronche, France
ylec@wanadoo.fr

Abstract

Bubbles are known to have important effects in hydrodynamic facilities such as cavitation tunnels, hydraulic flow loops, pumps, valves and turbines test facilities, towing tanks etc. They are also used to simulate real two-phase flows with various void fractions or bubble size distributions under different pressure and velocity conditions. In order to manage safely these problems or to simulate at best the prototype conditions, an arsenal of theoretical and experimental techniques is necessary, including:

– The control of dissolved air, which is under the form of independent molecules moving in the water.

– The control of nuclei which are generally microbubbles of some tens of micrometers.

– The injection of emulsions. Emulsions are a mixture of water and bubbles of millimetric size.

– The separation of free air. Free air concerns bubbles of any size.

– The resorption and the control of bubbles growing or shrinking by diffusion of air in water.

The production and control of bubbles also implies the use of dedicated measuring techniques. Among these are devices to measure the void fraction and size of bubbles in emulsions as well as dissolved gas:

– Local optical and electrical probes [14],

– Optical techniques,

– Venturi measurements (susceptibility meters). Susceptibility is the pressure at which a nucleus must be submitted to explode and create a vapor bubble.

– Optical and polarographic gages for dissolved O2 analysis.

Finally, microbubbles can be utilized as non-polluting tracers for optical velocity measurements in water and transparent fluids, such as LDV or PIV.

Many of these techniques have been developed by YLEC Consultants. Some of these can be utilized in fluids other than water, such as liquid metals.

Résumé

On sait que les bulles ont des effets importants dans les moyens d'essais hydrodynamiques comme par exemple les tunnels de cavitation, les boucles d'essais de pompes, de turbines ou de vannes, les bassins de traction etc. Elles sont également utilisées pour simuler des écoulements diphasiques présentant des taux de vide variés, sous diverses conditions de pression et de vitesse. Pour simuler au mieux les conditions de fonctionnement réelles, il est nécessaire de disposer d'un arsenal de techniques permettant en particulier de réaliser les opérations suivantes :

– Le contrôle de l'air dissous, qui est constitué de molécules individuelles se déplaçant librement dans l'eau.

– Le contrôle des germes de cavitation. Ce sont en général des microbulles de quelques microns à quelques dizaines de microns de diamètre.

– La création d'émulsions, mélanges d'eau et d'air sous forme de bulles de dimensions le plus souvent milli­métriques.

– La séparation de l'air libre et du liquide porteur, qui concerne des bulles de toutes tailles.

– La résorption des bulles et le contrôle de leur taille. Les bulles peuvent croître ou diminuer de taille par diffusion d'air dans l'eau.

La production et le contrôle des bulles impliquent également l'utilisation de techniques de mesure spécifiques, incluant des mesures de gaz dissous :

– Mesures locales par sondes optiques ou électriques [14],

– Techniques optiques,

– Mesures de susceptibilité par Venturi. La susceptibilité d'un liquide caractérise la pression à laquelle les germes doivent être soumis pour exploser sous la forme de bulles de vapeur.

– Mesure d'oxygène dissous par sondes optiques ou polarographiques.

Enfin les microbulles peuvent être utilisées comme traceurs pour réaliser des mesures de vitesse dans l'eau et les liquides transparents, par exemple par PIV ou LDV.

Un grand nombre de telles techniques ont été développées par YLEC Consultants. Certaines peuvent être mises en œuvre dans des liquides non transparents comme par exemple le sodium.