Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Écoulement diphasique gaz-liquide“

Une étude théorique et expérimentale d'un écoulement à bulles à travers un élargissement brusque est présentée. La banque de données obtenue nous a permis sur le plan global d'invalider un certain nombre de corrélations existantes concernant le taux de vide, le frottement pariétal et la chute de pression singulière, et de proposer de meilleurs outils pour le calcul de ces paramètres. En particulier, on note que la prise en compte du frottement pariétal dans le modèle semi-empirique élaboré pour le calcul de chute de pression singulière apporte une amélioration non négligeable. Sur le plan local, nos résultats ont permis de donner une tendance générale de l'organisation de l'écoulement au voisinage immédiat de la singularité. En particulier, nous avons pu déterminer les longueurs d'établissement, ainsi que les tailles des deux tourbillons contrarotatifs pour plusieurs situations. Le caractère instationnaire de la position du point de recollement a été mis en évidence par une analyse statistique. Celui-ci semble osciller autour d'une position moyenne sans fréquence privilégiée

Cette these s'inscrit dans l'axe de recherche " hydrodynamique physique et physico-chimique des reacteurs polyphasiques du laboratoire d'ingenierie des procedes et de l'environnement. Le premier objectif est d'etendre les travaux de la mecanique des fluides numeriques (m. F. N. ) A l'analyse de l'hydrodynamique et du melange gaz-liquide et gaz-liquide-solide en airlift puis de tester les potentialites de la m. F. N. Pour reproduire le fonctionnement des colonnes a bulles. Puis le deuxieme objectif est de proposer des modeles beaucoup plus simples pour calculer les airlifts et les colonnes a bulles : modele filaire. Les resultats obtenus avec la m. F. N. Fourniront des fermetures aux problemes des modeles simples. Les resultats des simulations numeriques et filaires sont systematiquement compares aux resultats experimentaux
This thesis is in the axe of "hydrodynamic physics and physico-chemical of the multiphase devices of the laboratoire d'ingenieries des procedes et de l' environnement. The prime objective is to extend the existing work of computational fluid dynamics (cfd) by analysing the hydrodynamics and mixing in gas-liquid and gas-liquide-solid flows in airlift then to test the potentialites of cfd modelling to simulate bubble columns. The second objective is to propose simpler models to calculate the airlifts and bubble olumns : 1d model. The results obtained with cfd will provide closure relations for the problems of the 1d model. The results of the numerical simulation and 1d are systematicly compared to the experimental results

Cette étude est divisée en deux parties: la première est consacrée à une nouvelle méthode permettant de déterminer l'angle de contact air-liquide-solide ou liquide-liquide-solide. Les valeurs d'angles obtenues par le microscope confocal à balayage laser (CSLM) à partir du modèle en 3D de la goutte montrent un bon accord avec les valeurs qu'on obtient à partir de la méthode conventionnelle du goniomètre. La modélisation géométrique en 3D de la goutte obtenue à partir des images CSLM a permis d'étudier la distribution locale des angles de contact autour de la goutte, et donc de détecter une hétérogénéité locale d'une surface plane solide. La deuxième partie est consacrée à une étude expérimentale des écoulements diphasiques liquide-gaz et liquide-liquide dans des microcanaux horizontaux. Pour chaque couple de fluides, les pertes de pression ont été mesurées et les configurations d'écoulements ont été identifiées pour une large gamme de nombres de Reynolds. Les cartographies d'écoulements ont été réalisées et comparées avec celles de la littérature. Pour les écoulements liquide-gaz, cette étude a montré l'effet des propriétés physiques des fluides sur les configurations d'écoulements et donc sur les pertes de pression. Pour les écoulements liquide-liquide, les expériences ont été réalisées dans deux cas de figure : microcanaux initialement saturés en huile et microcanaux initialement saturés en eau. Dans la gamme des débits étudiée, on observe une différence de configurations d'écoulements et donc de pertes de pression entre les deux séries d'expériences. Pour les deux systèmes liquide-gaz et liquide-liquide, les résultats expérimentaux sont interprétés au moyen du modèle homogène et de l'approche de Lockhart-Martinelli
This study is divided in two parts: the first one presents a new technique to quantify contact angle and then the wettability. This technique uses a confocal laser scanning microscope (CSLM) and allows to record series of 2-D images of a fluorescent liquid droplets set on various solids surfaces. The building of 3-D images is done with the summation of several images acquired with a regular step along the CSLM z-axis. The results obtained are similar to those obtained with a conventional goniometric technique for different air-liquid-solid systems. The CSLM images shows that drops are characterized by complex morphologies and that the local contact angles can be modified by chemical heterogeneities in the fluids. The second part is mainly an experimental study which deals with liquid-gas and liquid-liquid flows in horizontal microchannels. For each system, the pressures drops are measured and the flow regime maps are realised and compared with those presented in the literature. In the case of liquid-gas flows, the fluid properties have a great impact on the pressure drops and flow patterns. For liquid-liquid flows, two types of experiments are studied: microchannels initially saturated with oil and microchannels initially saturated with water. In the range of the Reynolds numbers considered, a difference in the pressure drops and the flow patterns are observed. The experimental results are interpreted with the homogeneous model and the Lockhart-Martinelli approach

Ce travail comprend en première partie une étude bibliographique sur les écoulements dans les hélices. Elle dégage essentiellement les corrélations usuelles concernant les chutes de pression, les coefficients de transfert de chaleur ainsi que le taux de vide dans des écoulements soit adiabatiques soit en eau-vapeur. Elle met aussi en évidence certaines lacunes et le besoin d'une connaissance plus approfondie de la dynamique de tels écoulements. Un montage expérimental comprenant deux circuits en parallèles eau-SF6 et pouvant être pressurisé jusqu'a 13 bars, permet d'étudier des écoulements pour lesquels le rapport des masses volumiques entre les deux phases est voisin de 10. La veine d'essai est constituée d'une hélice dont le diamètre intérieur du tube est d=19,8 mm le diamètre d'enroulement d=1170 mm et l'angle d'inclinaison 727. Une station de mesure placée après un tour d'enroulement permet l'acquisition simultanée des distributions circonférentielles de la pression, du frottement pariétal, de l'épaisseur de film ainsi que des cartographies de taux de vide dans la section entière. En faisant varier la pression de 4 à 13 bars, on étudie le comportement de divers régimes d'écoulement (bulles, stratifie et annulaire) en similitude Froude. Enfin, on propose une modélisation globale de l'écoulement en régime stratifié

Cette etude contribue a la modelisation de la pulverisation d'un jet liquide par un jet de gaz coaxial. La configuration de jets diphasiques mise en place est une simulation de l'injection coaxiale generee avec de l'oxygene liquide lox et de l'hydrogene gazeux gh#2 dans le moteur cryotechnique vulcain de la fusee ariane v. La visualisation de jets d'eau ou de solutions aqueuses d'un tensioactif, assistes par des jets d'air, par l'intermediaire d'une nappe laser stroboscopee, fournit des photographies utiles a la comprehension de la structure des jets coaxiaux. Les mesures du taux de presence de liquide, effectuees au moyen d'une fibre optique, dans la zone dense des pulverisations, ont permis de mettre en evidence l'interaction entre les deux ecoulements adjacents. En particulier, elles montrent que le gaz penetre tres tot dans le liquide en formant une surface d'echange complexe. D'autre part, ces mesures ont rendu possible la classification des jets coaxiaux liquide/gaz en deux regimes d'ecoulement distincts, fonctions des conditions initiales d'injection. La mise en equation du taux de presence axial de liquide dans le voisinage de l'injecteur nous a conduit a proposer une correlation destinee a la prediction de la longueur de rupture du jet diphasique. Un analyseur de particules par la methode des phases doppler (pdpa) a servi a l'exploration de la zone diluee des jets. La taille des gouttes, leur vitesse axiale moyenne ou fluctuante ont ete determinees. Enfin, une premiere approche du bilan de masse montre que la zone centrale dense des jets coaxiaux se caracterise par un glissement entre les phases

Cette étude a été menée au LEMTA dans le cadre d'une action de recherche concertée CEA-CENG-GRETH-ECOTECH sur les échangeurs de chaleur à plaques. L’état des connaissances sur la thermo hydraulique et l'hydrodynamique des écoulements monophasiques (liquides newtoniens et complexes) permet maintenant de bien appréhender les problèmes lies au dimensionnement de ces échangeurs. Pourtant maintenant largement employés dans des utilisations diphasiques, ces échangeurs n'ont pas fait l'objet d'études et de recherches approfondies à l'exception des échangeurs à plaques munis d'ailettes. Outre l'établissement de cartes d'écoulement, les objectifs de ce travail expérimental sont d'expliquer les différents mécanismes de frottement pariétal et donc d'échange lorsque le mélange diphasique s'enrichit en gaz et subit des changements de régime (transition). Pour ce faire, les deux principales techniques de mesure mises en oeuvre sont la mesure du gradient pariétal de vitesse par technique électrochimique (technique polarographique) et la mesure du taux de vide (sonde optique). Deux configurations, un écoulement co-courant horizontal et un écoulement co-courant vertical ascendant, ont été étudiées avec deux géométries différentes (plaques à cannelures droites et plaques à chevrons croises)
This study has been supported by the LEMTA and the associate lahoratories CEA-CENG GRETh in a national rescarch program on plate beat exchangers. Both the thermohydraulic and the hydrodynamic proper to the flow of newtonian or complex fluids arc now well known and the design of such exchangcrs does not set any difficult problem anymore. Although this kind of ex changer is widely used in two-phase systems, all the published works on this topic only involves plate fin exchangers. The main objectives or this work are firstly to establish a flow pattern map, secondly lo explain the friction mechanism (transfer mechanism) when the gas flux increases and when transition between two patterns occurs. The measurement of the local wall shear stress is made by electrochemical method call polarography and those of the local void fraction by an optical probe. The horizontal co-current gas-liquid flow has been first investigated using two kind of geometry (a bidimensionnal and a tridimensionnal) then the vertical upward one

Les écoulements gaz-liquide en conduite verticale présentent quatre configurations ou régimes d'écoulement. Ce travail porte sur le régime à poches et sur la transition vers la configuration qui lui succède : le régime destructuré (churn flow). Les mesures sont effectuées à 200D du point d'injection du gaz, dans une conduite de 12. 2 mm de diamètre et pour le couple de fluides eau-azote. Les deux principales grandeurs mesurées en fonction des flux d'entrée sont : le frottement pariétal instantané (méthode électrochimique) et l'épaisseur de film instantanée (méthode conductimétrique). Une détection optique simultanée de la présence des phases permet un traitement conditionnel de la base de données. Les caractéristiques de la cellule moyenne représentative de chaque point de fonctionnement en sont déduites : longueur de la cellule, du bouchon de liquide et de la poche de gaz, fréquence de passage des cellules ainsi que l'évolution selon une abscisse solidaire de la poche, du frottement pariétal et de l'épaisseur de film. Ces résultats sont comparés aux hypothèses et aux prédictions des modélisations du régime à poches. On compare les dimensions de l'attracteur bâti dans un pseudo-espace de phases à partir des signaux de frottement en régime à poches et en régime déstructuré. L’arrêt de l'augmentation de la valeur moyenne du frottement mesuré au niveau de la poche, quand la vitesse du gaz croit, est interprété comme signature de la déstabilisation du film. Un critère de transition en correspondance avec les modèle

L’atomisation assistée d’une phase liquide lente par un co-courant gazeux rapide est un sujet largement étudié dans la littérature, et des avancées notables sont intervenues notamment sur les mécanismes de brisure, la structure du jet atomisé ainsi que sur les caractéristiques des gouttes formées. En revanche, peu d’études traitent d’une configuration où la phase lente consiste en un jet diphasique gaz-liquide. Cette situation se rencontre par exemple lors du transitoire d’allumage des moteurs cryotechniques de fusée durant lequel la fraction volumique de gaz passe continument de 1 (jet interne purement gazeux) à 0 (jet interne purement liquide), de sorte que pratiquement tous les régimes d’écoulements diphasiques, allant du régime à bulles jusqu’aux écoulements annulaires, peuvent être observés.L’objectif est donc de comprendre comment la fraction volumique de gaz et/ou le régime d’écoulement diphasique du jet interne impactent les modes d’atomisation et in fine les caractéristiques du spray.Pour répondre à ces questions, des expérimentations ont été menées avec comme fluides de substitution de l’air et de l’eau en conditions ambiantes et sous gravité terrestre. Les trois paramètres de contrôle principaux sont la vitesse superficielle du liquide qui a été variée de 0,17 m/s à 2 m/s, la vitesse superficielle du gaz dans le jet interne qui a été fixée de telle sorte que la fraction de débit gaz balaye la plage 0 à 0,99 et enfin la vitesse du gaz externe qui a évolué entre de 20 à 200 m/s. Trois géométries d’injecteurs axisymétriques ont été utilisées pour d’une part accéder à tous les régimes d’écoulements diphasiques souhaités excepté l’écoulement à brouillard, et d’autre part pour varier le diamètre du jet central d’un facteur d’environ deux. Deux types de campagnes expérimentales ont été réalisées : une campagne à rapport des pressions dynamiques gaz-liquide fixé à 16 pour des fractions de débit volumique gaz variables, ainsi que des campagnes à fractions de débit volumique gaz fixe et M variable .Les caractéristiques structurelles du spray, sa longueur de brisure et l’angle du spray formé ont été mesurés par imagerie rapide alors que les caractéristiques de la phase dispersée, c’est-à-dire tailles, vitesses et flux de gouttes ont été mesurés par sonde optique.Les cartographies des régimes d’écoulements dans l’injecteur et des structures du jet diphasique avec et sans assistance par le gaz externe que nous avons établies ont permis de démontrer que ces structures étaient étroitement liées au régime d’écoulement du jet central. Trois modes d’atomisation principaux ont été identifiés et leur frontières établies. A faible fraction de débit gaz, l’atomisation de jets liquides chargés en petites bulles est sujet à l’épluchage de surface et aux battements latéraux à grande échelle comme sur un jet monophasique liquide. A très grande fraction de débit gaz, l’écoulement annulaire donne lieu à l’atomisation d’une nappe annulaire. Pour des valeurs intermédiaires, de nouvelles structures de type "parapluie" se forment à l’arrivée des bouchons de gaz caractérisées par une grande amplitude et un développement orthogonal au jet. L’atomisation des écoulements à régimes « churn » et annulaire donne lieu à des sprays à caractère intermittent du fait de passage de blocs liquides issus de l’écoulement interne.La longueur de brisure est réduite par l’ajout de gaz interne jusqu’à devenir très petite pour les fractions de débit gaz élevées. Le comportement de l’angle du spray est différent selon le diamètre du jet atomisé et le régime d’écoulement interne : il peut augmenter ou réduire selon la configuration.Les pdf centrées sur la taille goutte moyenne sont peu sensibles à la fraction de débit gaz. En revanche les tailles de gouttes moyennes et le flux volumique montrent des évolutions marquées : ils peuvent selon la fraction de débit gaz et donc selon la structure du jet atomisé réduire ou augmenter
Assisted atomization of a liquid phase slow by a rapid gas co-current is a topic widely studied in the literature, and significant advances have occurred especially on the breakup mechanisms, the structure of the atomized jet as well as the characteristics of formed drops. However, few studies deal with a configuration where the slow phase consists of a two-phase liquid-gas jet. This situation occurs for example during the transitional ignition of cryogenic rocket engines during which the volumic gas fraction decreases continuously from 1 (purely gas) to 0 (purely liquid), so that almost all two-phases flow regimes, from bubbly flow to annular flow can be observed.The goal is to understand how the volumic gas fraction and/or two-phase flow regime of internal jet impact the atomization modes and the characteristics of the spray.To answer these questions, experiments were conducted with as fluid of substitution air and water under ambient conditions and under gravity. The three main control parameters are the superficial velocity of the liquid which was varied from 0.17 m/s to 2 m/s, the superficial gas velocity in the internal jet that has been set so that the gas flow rate fraction sweeps the range 0 to 0.99 and finally the external gas velocity that has evolved between 20 to 200 m/s. Three geometries of axisymmetric injectors were used to firstly access any desired phase flow regimes except mist flow, and also to vary the diameter of the central jet by a factor of about two. Two types of experimental campaigns were carried out: a campaign where the gas-liquid dynamic pressure ratio was set at 16 for varied gas flow rate fraction, as well as campaigns with fixed gas flow rate fraction and variable M.The structural characteristics of the spray, its breakup length and the angle of spray were measured by high speed imaging while the characteristics of the dispersed phase, that is to say, sizes, velocities and flows of the drops were measured by optical probe.Mapping of flow regimes in the injector and two-phase jet structures with and without assistance by external gas that we have established have shown that these structures were closely related to the flow regime of the central jet. Three main atomization modes were identified and its borders established. For small gas flow rate fraction, the atomization of liquid jets laden bubbles is subject to surface peeling and large-scale lateral beats like a single phase liquid jet. For very large gas flow rate fraction, the annular flow results in the atomization of an annular liquid sheet. For intermediate values, new structures type of umbrella form at the arrival of gas slugs characterized by high amplitude and orthogonal development with respect to the jet. Atomization of “churn" flow and annular flow gives rise to intermittent sprays because of passage of "liquid blocks" from the internal flow.The breakup length is reduced by the addition of internal gas and become very small for the high gas flow rate fractions. The behavior of the angle of the spray is different depending on the diameter of the atomized jet and the internal flow regime. It may therefore increase or decrease depending on configuration.Centred pdf on mean drop size are not much sensitive to the gas flow rate fraction. However mean drop sizes and volumic fluxes show marked evolution: they can according to the gas flow rate fraction and therefore the atomized jet structure decrease or increase

En écoulement diphasique, les transferts de masse, de quantité de mouvement ou d'énergie à l'interface dépendent de l'aire de contact entre les phases. La connaissance de cette aire nécessite l'établissement d'une équation d'évolution. La formulation de cette équation peut se faire selon une approche eulérienne ou une approche lagrangienne possédant chacune leurs avantages. Nous avons établi rigoureusement une équation eulérienne de l'aire interfaciale et après quelques rappels sur la vitesse d'une interface, nous avons discuté l'importance du choix du transporteur de cette aire et regardé ce qu'il valait pour quelques situations élémentaires. Les termes puits et sources de l'équation d'évolution ne peuvent s'obtenir qu'au prix de modèles physiques. Ces termes ont été établis pour les écoulements dispersés à partir de l'évolution d'une équation de type Liouville où l'aire interfaciale est un moment d'une fonction de distribution. Nous avons développé un modèle de coalescence pour des écoulements polydipersés prenant en compte les effets des collisions turbulentes et visqueuses. Nous avons alors obtenu un terme puits pour l'aire interfaciale. Un modèle de rupture a été développé à partir d'un concept original de taux de rupture. Un terme source pour l'aire interfaciale a alors été obtenu pour les écoulements dispersés. Enfin, nous avons testé l'aptitude du modèle à prédire la transition bulles-poches et nous avons établi une carte sans dimension montrant les domaines de prédominance de la coalescence et de la rupture.