Confined jet, fluid-particle dispersions and chaotic mixing
Jet confiné, dispersions fluide-particules et mélange chaotique
Résumé
Les travaux présentés concernent l'étude d'écoulements hydrodynamiques en situations complexes : écoulements instables, en régime d'advection chaotique ou encore multiphasique. Les phénomènes de transport et de transfert associés à ces écoulements sont étudiés (couplages instabilité-changement de phase, diffusif-réactif). Les applications sont nombreuses et se trouvent dans le domaine du génie des procédés.
Les méthodes d'investigations sont essentiellement expérimentales, quelques développements numériques sont aussi présentés.
Le premier thème a trait à l'étude du comportement oscillatoire d'un jet fluide, plan, qui débouche dans une cavité contenant un obstacle. L'instabilité globale de l'écoulement conduit à son oscillation auto-entretenue. La dynamique du jet présente alors une fréquence caractéristique bien précise, dépendant principalement de paramètres géométriques, qui a permis d'envisager son utilisation comme débitmètre.
Le second thème abordé concerne l'étude de dispersions de particules flottantes en écoulement. Les deux projets présentés s'inscrivent dans le cadre plus général de l'étude de nouveaux fluides frigoporteurs diphasiques développés au LaTEP (les coulis de glace). Le premier projet se rapporte à une configuration académique : l'ascension d'une sphère de glace en colonne liquide. Les couplages dynamique (instabilités de sillage, trajectoires) et thermique (changement de phase) sont complexes, le régime d'écoulement évoluant à chaque instant. Le second projet de ce thème se rapporte à l'hydrodynamique d'une dispersion solide-liquide modèle en conduite cylindrique horizontale. Différents régimes d'écoulement non homogène ont été mis en évidence à partir de l'évolution spatio-temporelle du champ de vitesse, en fonction de la fraction solide de la phase dispersée.
Le troisième thème concerne l'étude du mélange obtenu en régime d'advection chaotique pour un écoulement laminaire. Plusieurs volets ont été développés autour de l'écoulement de Dean alterné tridimensionnel existant au sein de conduites courbes. Expérimentalement, il a été prouvé, par comparaison à un écoulement se développant dans un serpentin hélicoïdal, que les écoulements chaotiques sont plus efficaces en terme de mélange diffusif et réactif, donc jusqu'à une échelle moléculaire. Numériquement, une méthode originale basée sur la transformation de maillages anisotropes associés aux déplacements de scalaires advectés par l'écoulement a été mise au point. Elle permet l'évaluation, la comparaison et l'optimisation du mélange au sein d'écoulements 2D périodiques en temps ou 3D spatialement périodiques. Les efficacités d'écoulements régulier, partiellement chaotique et globalement chaotique sont analysées à partir de différents critères pour quantifier le mélange diffusif et réactif.
Aujourd'hui, de nouvelles applications du mélange chaotique sont considérées. Plus particulièrement, la production d'émulsions pétrolières à partir d'huiles lourdes très visqueuses est étudiée.
Les méthodes d'investigations sont essentiellement expérimentales, quelques développements numériques sont aussi présentés.
Le premier thème a trait à l'étude du comportement oscillatoire d'un jet fluide, plan, qui débouche dans une cavité contenant un obstacle. L'instabilité globale de l'écoulement conduit à son oscillation auto-entretenue. La dynamique du jet présente alors une fréquence caractéristique bien précise, dépendant principalement de paramètres géométriques, qui a permis d'envisager son utilisation comme débitmètre.
Le second thème abordé concerne l'étude de dispersions de particules flottantes en écoulement. Les deux projets présentés s'inscrivent dans le cadre plus général de l'étude de nouveaux fluides frigoporteurs diphasiques développés au LaTEP (les coulis de glace). Le premier projet se rapporte à une configuration académique : l'ascension d'une sphère de glace en colonne liquide. Les couplages dynamique (instabilités de sillage, trajectoires) et thermique (changement de phase) sont complexes, le régime d'écoulement évoluant à chaque instant. Le second projet de ce thème se rapporte à l'hydrodynamique d'une dispersion solide-liquide modèle en conduite cylindrique horizontale. Différents régimes d'écoulement non homogène ont été mis en évidence à partir de l'évolution spatio-temporelle du champ de vitesse, en fonction de la fraction solide de la phase dispersée.
Le troisième thème concerne l'étude du mélange obtenu en régime d'advection chaotique pour un écoulement laminaire. Plusieurs volets ont été développés autour de l'écoulement de Dean alterné tridimensionnel existant au sein de conduites courbes. Expérimentalement, il a été prouvé, par comparaison à un écoulement se développant dans un serpentin hélicoïdal, que les écoulements chaotiques sont plus efficaces en terme de mélange diffusif et réactif, donc jusqu'à une échelle moléculaire. Numériquement, une méthode originale basée sur la transformation de maillages anisotropes associés aux déplacements de scalaires advectés par l'écoulement a été mise au point. Elle permet l'évaluation, la comparaison et l'optimisation du mélange au sein d'écoulements 2D périodiques en temps ou 3D spatialement périodiques. Les efficacités d'écoulements régulier, partiellement chaotique et globalement chaotique sont analysées à partir de différents critères pour quantifier le mélange diffusif et réactif.
Aujourd'hui, de nouvelles applications du mélange chaotique sont considérées. Plus particulièrement, la production d'émulsions pétrolières à partir d'huiles lourdes très visqueuses est étudiée.
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