Influence d'une phase dispersée sur le mélange dans l'écoulement de Taylor-Couette

par Diane Dherbecourt

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Éric Climent et de Sophie Charton.

Le président du jury était Alain Liné.

Le jury était composé de Éric Climent, Sophie Charton, Chérif Nouar, Henda Djeridi, Bloen Metzger, Céline Gabillet, Fabrice Lamadie.

Les rapporteurs étaient Chérif Nouar, Henda Djeridi.


  • Résumé

    L’écoulement de Taylor-Couette entre deux cylindres concentriques (cylindre interne en rotation et cylindre externe fixe) est actuellement mis à profit au CEA pour étudier les performances d’extraction d’une colonne liquide/liquide pour le retraitement du combustible nucléaire. Ces performances étant fortement liées au mélange, il est important de le quantifier. En monophasique, les propriétés de mélange ont été étudiées dans une thèse précédente, à la fois expérimentalement et numériquement, et ont été reliées aux paramètres hydrodynamiques de l’écoulement. L’effet du nombre de Reynolds, du régime d’écoulement et de la taille des rouleaux (longueur d’onde axiale) ont notamment été prouvés. Le but de ce travail est d’étendre les précédentes études aux écoulements de Taylor-Couette diphasiques. Pour des raisons pratiques et afin de s’affranchir des phénomènes de coalescence et de rupture, des billes de PMMA de diamètres 800 µm à 3 mm sont choisies pour simuler la phase dispersée, en suspension dans une solution aqueuse de Dimethylsulfoxyde (DMSO) et de Thiocyanate de Potassium (KSCN). Le montage expérimental couple les méthodes de PIV et de PLIF afin d’obtenir en simultané les informations concernant l’hydrodynamique de l’écoulement et le mélange. Cependant la mise en place du diphasique impose un certain nombre de contraintes qui doivent être prises en compte. Bien que les deux phases soient soigneusement choisies afin d’être adaptées en indice et en densité, le recours à une deuxième chaine d’acquisition PLIF est nécessaire afin d’améliorer la qualité des mesures. Ainsi, une première voie de PLIF classique suit l’évolution au cours du temps de la concentration de Rhodamine WT, injectée au centre de la colonne au début de l’expérience. La voie supplémentaire visualise un autre fluorophore, de la Fluorescéine répartie de manière homogène dans la colonne, permettant ainsi de créer un masque dynamique des billes. Grâce à ce montage expérimental, une étude paramétrique (taille, rétention des billes) a été menée. Un double effet des billes sur le mélange a ainsi été observé. D’une part, la présence d’une phase dispersée modifie les propriétés hydrodynamiques de l’écoulement : les régimes (Couette, Taylor Vortex Flow et Wavy Vortex Flow) sont d’autant plus déstabilisés que la rétention ou la taille des billes augmente. De plus un régime supplémentaire, inhabituel dans le cas du cylindre externe fixe, apparait, forcé par la phase dispersée : le régime Spiral Vortex Flow, dans lequel le mélange est très efficace. D’autre part, une influence propre des billes sur le mélange a été mise en évidence, en fonction de leur taille et de leur concentration. Ces deux effets se combinent pour expliquer une forte augmentation du mélange en présence de la phase dispersée. Les mécanismes physiques liés à ces résultats sont ensuite discutés, et leur influence relative est comparée. Enfin, le rôle du mélange local sur le coefficient de dispersion global, paramètre classiquement utilisé en génie chimique afin de prédire les performances des colonnes d’extraction, est discuté.

  • Titre traduit

    Enhanced mixing in two-phase Taylor-Couette flows


  • Résumé

    In the scope of the nuclear fuel reprocessing, Taylor-Couette flows between two concentric cylinders (the inner one in rotation and the outer one at rest) are used at laboratory scale to study the performances of new liquid/liquid extraction processes. Separation performances are strongly related to the mixing efficiency, the quantification of the latter is therefore of prime importance. A previous Ph.D. work has related the mixing properties to the hydrodynamics parameters in single-phase flow, using both experimental and numerical investigations. The Reynolds number, flow state and vortices height (axial wavelength) impacts were thus highlighted. This Ph.D. work extends the previous study to two-phase configurations. For experimental simplification, and to avoid droplets coalescence or breakage, spherical solid particles of PMMA from 800 µm to 1500 µm diameter are used to model rigid droplets. These beads are suspended in an aqueous solution of dimethyl sulfoxide (DMSO) and potassium Thiocyanate (KSCN). The experimental setup uses coupled Particle Image Velocimetry (PIV) and Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF) to access simultaneously the hydrodynamic and the mixing properties. Although the two phases are carefully chosen to match in density and refractive index, these precautions are not sufficient to ensure a good measurement quality, and a second PLIF channel is added to increase the precision of the mixing quantification. The classical PLIF channel monitors the evolution of Rhodamine WT concentration, while the additional PLIF channel is used to map a Fluorescein dye, which is homogeneously concentrated inside the gap. This way, a dynamic mask of the bead positions can be created and used to correct the Rhodamine WT raw images. Thanks to this experimental setup, a parametric study of the particles size and concentration is achieved. A double effect of the dispersed phase is evidenced. On one hand, the particles affect the flow hydrodynamic properties : the more the particles size and concentration grows, the more the studied flow regimes (Couette, Taylor Vortex Flow and Wavy Vortex Flow) are destabilized. In addition, a new flow state appears in presence of a dispersed phase, that is unusual in the configuration we use where the outer cylinder is at rest. This Spiral Vortex Flow is characterized by an enhanced mixing. On the other hand, for given hydrodynamic properties and depending on the particles size and concentration, a specific effect of the particles on mixing is highlighted. Both the “hydrodynamic” and “intrinsic“ effects are responsible for the significant increase of the global mixing observed in two-phase configuration. Possible physical mechanisms are proposed to analyze these results, and their relative influence is compared. At last, an attempt is made to relate the local mixing properties to a global dispersion coefficient of the flow, data commonly used in chemical engineering to predict the performances of extraction columns.


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