Experimental investigation of bubble induced modifications of a turbulent boundary layer

Abstract

To investigate the effect of intermediate sized bubble injection into a turbulent boundary layer under a strong gravity effect, we measure the velocity field of two-phase flow in a horizontal cavitation tunnel with 2D Particle Tracking Velocimetry in vertical plane perpendicular to the upper wall and 1D Laser Doppler Velocimetry technique for longitudinal velocity component. In this study, we focus on an horizontal boundary layer where the Reynolds number, based on the thickness of momentum and external velocity is Re 3976. The air injection panel is located at the upper wall of the tunnel’s test section and it allows to cover the injection of a large range of bubble sizes (from 40 to 300 viscous lengths) as well as varying the void fraction between 0.01% and 0.11%. The results reveal that two flow regimes exist: with the increase of the global air injection, a longitudinal speed deficit is observed in the log zone altogether with a longitudinal speed increase in the sub-viscous layer and a Reynolds stress drop. This is in agreement with a phenomena of aspiration caused by the bubble buoyancy. Beyond a critical bubble size, wake bubbles are found in the flow and contribute to a drop in viscous friction and in turbulent shear stress in the near wall region, this phenomenon could be associated to a blowing effect.

Cette étude a pour objectif de caractériser expérimentalement les effets de l’injection de bulles de tailles intermédiaire (millimétriques), soumises à un fort effet de gravité, sur un écoulement de couche limite turbulente. La configuration expérimentale est celle d’une couche limite horizontale en développement pour un nombre de Reynolds caractéristique, basé sur l’épaisseur de quantité de mouvement et la vitesse externe, Re= 3976. Le système d’injection d’air localisé sur la paroi supérieure du tunnel a permis de faire varier la taille des bulles dans une large gamme (de 40 à 300 longueurs visqueuses), et de faire varier le taux de vide moyen entre 0.01% et 0.11%. Nous avons mesuré la vitesse du liquide dans la zone interne de la couche par Vélocimétrie par Images de Particules en 2D, pour les composantes de vitesse dans le plan vertical et Vélocimétrie par effet Doppler en 1D pour la composante longitudinale. Les résultats montrent l’existence de deux régimes d’écoulement. Avec l’augmentation du débit global d’air injecté, un déficit de vitesse longitudinale se manifeste dans la zone logarithmique, associé à un excès de vitesse longitudinale dans la sous couche visqueuse et une diminution des tensions de Reynolds. Ceci est en accord avec un phénomène d’aspiration dû à la flottabilité induite par les bulles. Au-delà d’une certaine taille de bulles, des bulles de sillage sont présentes dans l’écoulement, contribuant ainsi à une diminution tant du frottement visqueux que du frottement turbulent en très proche paroi, associé à un effet de soufflage.