Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Durant ces années doctorales, la formation et le mouvement des grandes bulles « Fortin » ont été étudiés par l'entremise de la modélisation physique et numérique. L'influence de ce type de bulles sur la couche gazeuse présente dans le procédé d'électrolyse de l'aluminium a aussi été quantifiée.

Dans un premier temps, la morphologie de la bulle « Fortin », qui se forme sous une surface solide légèrement inclinée, a été étudiée dans un modèle physique à eau ainsi que par modélisation numérique. Cette étude a permis de découvrir que la bulle « Fortin » était formée par une onde gravitationnelle. Les dimensions et la vitesse de la bulle « Fortin » ont été mesurées en fonction du volume de la bulle et de l'angle d'inclinaison de la surface. Deux équations ont été développées afin de prédire le volume d'une bulle « Fortin ». Lors de ces études, une large bulle se mouvant sous une surface inclinée fut, pour une première fois dans la littérature, simulée numériquement. Les résultats obtenus concordent avec les mesures expérimentales. D'autre part, la formation et le mouvement de larges bulles de dioxyde de carbone, se déplaçant dans la cryolithe liquide, ont aussi été simulés.

L'effet de la bulle « Fortin » sur la couche gazeuse et sur l'écoulement engendré par les bulles a été étudié expérimentalement dans un modèle physique à eau. Trois régimes d'écoulement sous l'anode, différenciés par le taux de génération de gaz, ont été déterminés. Une corrélation entre la hauteur moyenne de la couche gazeuse et la position sous l'anode a été développée. Le volume de gaz accumulé sous l'anode peut être calculé avec cette équation. La hauteur maximale de la couche gazeuse a été mesurée et ce chiffre à 2 cm en raison de la présence de la bulle « Fortin ». De plus, la hauteur moyenne de la couche gazeuse a été mesurée et s'est avérée supérieure aux valeurs présentes dans la littérature. H a été possible d'observer que les grandes bulles se fractionnent toujours en deux ou plusieurs bulles juste avant de quitter la surface de l'anode. La sortie des grandes bulles engendre une augmentation du transfert de quantité de mouvement dans la cuve. Le mouvement de la couche liquide dans la cuve a été étudié par la technique PIV. Ces expérimentations démontrèrent que la taille et la forme des bulles jouent un rôle très important sur le transfert de quantité de mouvement. L'influence des bulles « Fortin » sur le transfert de quantité de mouvement est plus importante que celle des petits bulles. Les bulles de type « Fortin » engendrent un intense transfert de quantité de mouvement dans le liquide, lequel participe à l'homogénéisation du champ de température et à l'augmentation du transport de masse dans la cuve.