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PhD on Experimental and numerical study of low Reynolds number exchange flow in a vertical or tilted finite cylinder, IMFT (Toulouse, France)

Du 1 janvier 2022 au 31 décembre 2024

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IMFT - Toulouse

When a heavy fluid is superimposed on a light fluid, the effect of gravity results in a so-called Rayleigh- Taylor instability which tends to bring the former below the latter. This instability has been extensively studied in inertia-dominated regimes and in the absence of a lateral confinement. Here we are interested in the case where viscous effects are dominant and fluids are confined inside a vertical or inclined cylindrical tube.

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ECOLE DOCTORALE
ED 468
« Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés »

Proposition de sujet de thèseContrats Doctoraux MESRI 2022-2025page1image54188992 page1image54182656

Titre du sujet : Etude expérimentale et numérique de l’échange de fluides visqueux en configuration instable dans un tube vertical ou incliné

Directeur de thèse : 
Thomas Bonometti, MCF INPT – IMFT, thomas.bonometti@imft.fr

Co-Directeur : 
Jacques Magnaudet, CNRS – IMFT, jacques.magnaudet@imft.fr IMFT

Laboratoire : IMFT 
 – Spécialité Mécanique des Fluides

Description du sujet page1image54191680

Lorsqu'un fluide lourd est superposé à un fluide léger, l'effet de la gravité se traduit par une instabilité dite de Rayleigh-Taylor qui tend à amener le premier en-dessous du second. Cette instabilité a été très étudiée dans les régimes dominés par l'inertie et en l'absence de confinement latéral. On s'intéresse au contraire ici au cas où les effets visqueux sont dominants et où les fluides sont confinés à l'intérieur d'un tube cylindrique vertical ou incliné. Cette situation est notamment rencontrée dans différents systèmes industriels (ex : puits d’extraction d’hydrocarbures) ou naturels (cheminées magmatiques des volcans). Ce projet de thèse consiste en l’utilisation complémentaire d’un dispositif expérimental et d’un outil de simulation numérique (code JADIM de l’IMFT, Bonometti & Magnaudet 2007) tous deux existants et opérationnels pour prédire la dynamique - distribution de chaque fluide et vitesse - d’écoulements diphasiques de fluides visqueux dans une conduite cylindrique verticale ou inclinée (figure 1d). Ces écoulements sont nécessairement tridimensionnels et font intervenir des processus complexes de déformation d’interfaces nécessitant des méthodes numériques et expérimentales adaptées. Le logiciel utilisé ici permet de telles simulations (il est parallélisé avec la librairie MPI et utilise des schémas numériques semi-implicites performants). L’objectif applicatif est de déterminer une cartographie des configurations observées en fonction des propriétés des fluides et de l’angle d’inclinaison du tube. L’objectif scientifique de ce projet est de confirmer ou d’infirmer les résultats des analyses de stabilité existantes (Sweeney et al. 2013), et d’apporter un éclairage quant aux paramètres et processus à prendre en compte pour prédire efficacement ce type d’écoulement.

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(a)                           (b)                                (c)                             (d)

Figure 1 : (a) schéma d’un dispositif d’extraction secondaire par injection de fluide moins visqueux (source : EPA) (b) schéma d’une éruption volcanique (crédits: Sémhur) (c) configuration idéalisée de l’échange de fluides visqueux dans une conduite verticale (d) simulations avec le logiciel JADIM de l’IMFT de la montée d’un fluide, en rouge, plus léger et 100 fois moins visqueux que le fluide supérieur, en bleu (Garnerone 2013).

Thesis proposal for a Doctoral position 2021-2024

 Title : Experimental and numerical study of low Reynolds number exchange flow in a vertical or tilted finite cylinder

 Supervisor : Thomas Bonometti, Toulouse INP – IMFT, thomas.bonometti@imft.fr 

Second supervisor : Jacques Magnaudet, CNRS – IMFT, jacques.magnaudet@imft.fr

 Laboratory : IMFT – Toulouse Fluid Mechanics Institutepage2image54405824 page2image54406208

Research project description

When a heavy fluid is superimposed on a light fluid, the effect of gravity results in a so-called Rayleigh- Taylor instability which tends to bring the former below the latter. This instability has been extensively studied in inertia-dominated regimes and in the absence of a lateral confinement. Here we are interested in the case where viscous effects are dominant and fluids are confined inside a vertical or inclined cylindrical tube. This situation is encountered in various industrial systems (e.g. oil extraction wells) or natural systems (magma chimneys of volcanoes). This thesis project consists in the complementary use of an experimental device and a numerical simulation tool (JADIM code from IMFT, Bonometti & Magnaudet 2007) both existing and operational to predict the dynamics - distribution of each fluid and velocity - of two-phase flows of viscous fluids in a vertical or inclined cylindrical pipe (figure 1d). These flows are necessarily three-dimensional and involve complex interface deformation processes requiring adapted numerical and experimental methods. The software used here allows such simulations (it is parallelized with the MPI library and uses powerful semi-implicit numerical schemes). The applied objective is to determine a map of the observed configurations as a function of the fluid properties and tube tilt angle. The scientific objective of this project is to confirm or invalidate the results of existing stability analyses (Sweeney et al. 2013), and to shed light on the parameters and processes to be taken into account in order to effectively predict this type of flow.

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     (a)                       (b)                              (c)                              (d)

Figure 1 : (a) sketch of a secondary oil extraction system driven by injection of a less viscous fluid (source : EPA) (b) sketch of a volcanic eruption (credit: Sémhur) (c) simplified setup for the present study (d) simulations with the JADIM code of the exchange flow between a light and less viscous fluid, in red, rising in a denser and more viscous fluid, in blue. The interface separating the fluids is in green (Garnerone 2013).