Analytical Void Fraction Profile Near the Walls in Low Reynolds Number Bubbly Flows in Pipes: Experimental Comparison and Estimate of the Dispersion Coefficient

Profil analytique de taux de vide en proche paroi dans les écoulements en conduite à bulles à faible nombre de Reynolds : comparaison expérimentale et estimation du coefficient de dispersion

¹ Den-Service de Thermo-Hydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF), CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette – France
² Electricité de France R&D Division, 6 Quai Watier, 78400 Chatou – France
e-mail: olivier.marfaing@cea.fr

^* Corresponding author

Received: 27 September 2016
Accepted: 21 December 2016

Abstract

In a recent paper, we derived an analytical expression for the void fraction profile in low Reynolds number bubbly pipe flows, based on a balance of hydrodynamic forces on bubbles. The objective of the present work is to perform a comparison of this analytical Bubble Force Balance Formula (BFBF) with an experiment from the literature. We begin by simulating this experiment with the NEPTUNE_CFD code. In particular we show that using an R_ij-ε model to account for the liquid velocity fluctuations yields reasonable results. In order to compare our analytical profile with experimental measurements, we restrict ourselves to the near-wall region. In this region, the void fraction profile results from a balance between dispersion and wall forces, and the dispersion coefficient can be considered as uniform. The analytical BFBF profile is seen to be in good agreement with the measurements. We are also capable to estimate the dispersion coefficient in this near-wall region.

Résumé

Dans une publication récente, nous avons obtenu une expression analytique pour le profil de taux de vide dans un écoulement en conduite à bulles à bas nombre de Reynolds, basée sur un bilan des forces hydrodynamiques sur les bulles. L’objectif du travail est d’effectuer une comparaison de cette Formule de Bilan des Forces sur les Bulles (FBFB) avec une expérience de la littérature. Nous commençons par simuler cette expérience avec le code NEPTUNE_CFD. En particulier, nous montrons qu’en utilisant un modèle R_ij-ε, nous obtenons des résultats acceptables pour les fluctuations de vitesse liquide. Ensuite, afin de comparer notre profil analytique avec les mesures expérimentales, nous nous restreignons à la zone de proche paroi. Dans cette région, le profil de taux de vide résulte de l’équilibre entre forces de dispersion et de paroi, et le coefficient de dispersion peut être considéré comme uniforme. Le profil analytique FBFB est en bon accord avec les mesures et nous sommes capables d’estimer le coefficient de dispersion dans la zone de proche paroi.