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Experimental study of high-speed phenomena involving bubbles and free surfaces: bubble growth in microgravity and fast lifting of a plate from a water surface

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Publication date
2019-01-05
Defense date
2019-11-29
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This thesis addresses two different problems with a common link: both are experimental studies where the effect of gravity does not play an important role. While the first one is in microgravity conditions, the other one shows an acceleration much greater than gravity. As a consequence, this dissertation is divided into two parts: growing bubbles in gas-supersaturated liquid in microgravity and fast lifting of a plate from a water surface. In the first part, the diffusion-driven growth of a dense bubble cloud is studied in gas-supersaturated liquid in microgravity conditions. Understanding the diffusive-driven dynamics is relevant in several modern technologies such as space manufacturing or chemistry processes as well as in the formation of the small planetary bodies if we move to the geological field. On Earth’s conditions, it is not possible to observe this purely diffusion-driven growth for more than 100 ms since the gravity induces buoyancy effects that affects in these dynamics. Thus, we carried out experiments in which a bubble cloud grows in aCO2-supersaturatedwater in microgravity using of the drop tower of the German Center of Applied Space Technology and Microgravity (ZARM). In the experiments, the evolution of the bubble cloud can be observed for more than 3 s as well as their interactions and competition to access the CO2 available in the bulk liquid outside the cloud. Firstly, we show the details of the experimental setup that we use to perform these experiments and some preliminary results related to the individual growth of large bubbles and the time evolution of the gas volume of the cloud. Then, we report the existence of different regimes where the bubble cloud presents different growth rates in our experiments. Finally, we suggest a model that describes these regimes and their corresponding growth rate, qualitatively. In the second part, we address an experimental research regarding the fast lifting of a circular disc from a water surface. For naval and ocean engineering it is essential to model the force that a structure must withstand when it impacts or exits the water. Since full-scale numerical simulations are usually impractical for this purpose, several analytical or semi-analytical approaches have been developed over the years. Due to the complexity of the free surface flows involving both numerical and analytical computations must be validated against experiments. With this idea in mind, here we report the results of the experimental measurements of the hydrodynamic force acting on a plate that is lifted from the water surface and starts to move upwards suddenly at an acceleration much larger than gravity, a≫g. Furthermore, we include the hydro-elastic effect that we observed in the experiments in the solution of the asymmetric of the water exit problem. Our work focuses on the early stages of the disc motion when the suction and inertial forces are the most relevant. Thus, the experimental set-up is described firstly, then we compare the experimental results against the linearised theory of the water exit proposed by Korobkin (2013). Finally, as a consequence of the experimental observations of the hydroelastic interaction between the disc and the liquid, the problem of the water exit is reformulated and solved taking into account this effect.
Esta tesis aborda dos problemas diferentes con un nexo en común: ambos son estudios experimentales donde el efecto de la gravedad no juega un rol importante. El primer problema se estudia en condiciones de microgravedad. En el segundo, la aceleración será mucho mayor que la de la gravedad. Por tanto, esta tesis se dividirá en dos partes: el crecimiento de burbujas en un líquido sobresaturado de gas en condiciones de microgravedad y la salida súbita de una placa circular sobre una superficie de agua. En la primera parte, se estudia el crecimiento difusivo de una nube densa de burbujas en un líquido sobresaturado de gas en condiciones de microgravedad. Entender la dinámica de los mecanismos difusivos es relevante para varias tecnologías, como la fabricación espacial o en procesos químicos, así como en la formación de los pequeños cuerpos planetarios en geológia. Sin embargo, no es posible observar este crecimiento puramente difusivo durante más de 100 ms en condiciones normales. Por ello, hemos llevado a cabo una serie de experimentos en los que una nube de burbujas crece por difusión en un agua sobresaturada de CO2 en microgravedad en la torre de caída del Centro Alemán de Tecnología Espacial Aplicada y Microgravedad (ZARM). En estos experimentos, se puede observar la evolución de la nube de burbujas durante más de 3 s, junto con sus interacciones y la competición entre ellas para acceder al CO2 disponible en el líquido. Primero, se describe la configuración experimental diseñada y puesta en marcha para realizar los experimentos junto con algunos resultados preliminares acerca del crecimiento individual de burbujas grandes y la evolución del volumen de gas de la nube. Más adelante, mostramos la existencia de varios regímenes donde la nube de burbujas presenta diferentes ratios de crecimiento en nuestros experimentos. Finalmente, presentamos un modelo simplificado que describe estos regímenes y su índice de crecimiento correspondiente, de forma cualitativa. En la segunda parte, estudiaremos experimentalmente la salida súbita de un disco circular situado en la superficie del agua. En ingeniería naval y oceánica, resulta esencial modelar la fuerza que debe soportar una estructura cuando impacta o sale del agua. Puesto que las simulaciones numéricas a gran escala generalmente no son prácticas para este propósito, a lo largo de los años se han desarrollado varios modelos analíticos o semianalíticos. Debido a la complejidad de los flujos de superficie libre involucrados, tanto los cálculos numéricos como los analíticos deben validarse experimentalmente. Con esta idea en mente, presentamos los resultados obtenidos de las medidas experimentales de la fuerza hidrodinámica que actúa sobre una placa que se levanta de la superficie del agua y que comienza a moverse hacia arriba repentinamente a una aceleración mucho mayor que la gravedad, a ≫ g. Además, incluiremos el efecto hidroelástico observado en los experimentos en la solución del problema asimétrico de salida rápida del agua. Nuestro trabajo se centra en los primeros instantes del movimiento de la placa, cuando la succión y las fuerzas de inercia son las más relevantes. Por lo tanto, se describirá la configuración experimental, luego compararemos los resultados experimentales con la teoría linealizada del problema de salida rápida del agua propuesta porKorobkin (2013). Finalmente, como consecuencia de las observaciones experimentales acerca de la interación hidroelástica entre el disco y el líquido, el problema de salida rápida del agua se reformula y se resuelve teniendo en cuenta este efecto.
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Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Bubbles, Microgravity conditions, Diffusion driven-grothw, Mass-transfer, Axisymmetry, Hydrodynamic stability
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