Intensification du mélange par advection chaotique pulsée

Mixing enhancement by pulsatile chaotic advection

• Auteur / Autrice : Mojtaba Jarrahi Khameneh
• Direction : Hassan Peerhossaini, Cathy Castelain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Ingénieur, Thermique et énergétique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Mots clés libres

Mélange laminaire

Advection chaotique

Ecoulement de Dean

Instabilité de Lyne

Résumé

Le but de cette étude est d'étudier l'amélioration du mélange par superposition d'une dépendance temporelle, sous la forme d'une pulsation, à un écoulement de Dean alterné où les trajectoires des particules fluides sont spatialement chaotiques. La dépendance temporelle de l'écoulement dans les conduites courbes peut générer des écoulements secondaires - composées de deux cellules contra-rotatives (cellules Dean) dans un régime stationnaire - plus complexe. Cette modification de l'écoulement secondaire qui se traduit par des gradients de vitesse plus forts, augmente les étirements et les repliements; et donc le mélange. La configuration chaotique étudiée dans ce travail est composée d’une série de six coudes alternés de 90°. Lors du passage d’un écoulement pulsé (stationnaire+sinusoïdal) dans cette géométrie, les champs de vitesse de l'écoulement secondaire sont mesuré en utilisant la vélocimétrie par images de particules (PIV) pour différentes conditions de pulsation. Pour éviter les effets de réfraction de lumière lors des mesures de PIV, un canal en forme de T est installé en aval du coude d’étude. Les expériences sont réalisées pour une large gamme de nombres de Reynolds stationnaire 420≤Rest≤1000, de rapports d’amplitude de vitesse 1≤(β=Umax,sin/Ust)≤4 et de paramètres de fréquence 8,37≤(α=r0(ω/ν)0,5)≤24,5. Les effets de chaque paramètre (Rest, β et α) sur le mélange transversal sont discutés en comparant les valeurs de vorticité adimensionnelles (|ζP|/|ζS|) et les taux de déformation transversale adimensionnels (|εP|/|εS|) au cours d’une période d’oscillation complète. Les résultats montrent que β≥2 et α≤15 sont les conditions favorables de pulsation pour l'amélioration du mélange. En plus, dans certaines conditions de pulsation, les centres de cellules visitent une zone (dans la section du canal) 9 fois plus grande que celle d’un cas stationnaire.

The purpose of this study is to investigate mixing enhancement by superposition of a temporal dependence, in the form of a pulsation, on a twisted pipe flow where the trajectories of fluid particles are spatially chaotic. In the steady case, the secondary flow in a curved tube is composed of two counter-rotating cells (Dean cells), however, the temporal dependence of the flow can make this structure more complex. This modification of the secondary flow which results in stronger velocity gradients enhances stretching and folding (the main mechanism of mixing). Here, the chaotic configuration is composed of six alternating 90° curved pipes. When a pulsating (steady+sinusoidal) flow passes through this geometry, the velocity field is measured by particle image velocimetry (PIV) for different pulsating conditions. To obviate light-refraction effects during PIV measurements, a T-shaped end channel is installed at the exit of the curved pipe. Experiments are carried out for the steady Reynolds numbers range 420≤Rest≤1000, velocity component ratios 1≤ (β = Umax,sin / Ust) ≤ 4 and frequency parameters 8. 37≤(α=r0(ω/ν)0. 5)≤24. 5. The effects of each parameter (Rest, β and α) on transverse mixing are discussed by comparing the dimensionless vorticity (|ζP|/|ζS|) and dimensionless transverse strain rates (|εP|/|εS|) during a complete oscillation period. The results show that β ≥ 2 and α ≤ 15 are favorable pulsating conditions for mixing enhancement. Moreover, in some pulsation conditions, the cells’ centers visit a zone (in the flow cross-section) 9 times larger that that of the steady case.