Caractérisation par trajectographie tridimensionnelle du mélange dans un réacteur agité

• Auteur / Autrice : Pascal Pitiot
• Direction : Laurent Falk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et techniques
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs à eau sous pression

Traitement d'images

Trajectographie

Résumé

Cette thèse a comme objectif de montrer l'utilité d'une 'approche lagrangienne pour la caractérisation des écoulements et du mélange, approche originale et intermédiaire entre les descriptions eulériennes très complètes et les méthodes systémiques plutôt globales. Il s'agit de filmer les déplacements d'une particule (2 mm de diamètre), traceur parfait passif du fluide, sur une durée élevée (de vingt minutes à une heure), de traiter la série d'images obtenues et de reconstituer la trajectoire tridimensionnelle. L'information spatio-temporelle obtenue est compacte et très riche. Elle est donc analysée à l'aide d'une panoplie d'outils dont la relation avec les grandeurs utilisées habituellement en mélange est plus ou moins étroite : propriétés cinématiques, homogénéité des écoulements et structures spatiale et temporelle des trajectoires. La caractérisation des trajectoires est appliquée à l'analyse d'écoulements turbulents dans l'eau (agitation par trois mobiles différents, effets de la vitesse d'agitation et de la position du mobile), des milieux visqueux newtoniens (influences respectives de la viscosité et de la vitesse d'agitation, comme l'indique la définition du nombre de Reynolds) et non-newtoniens (phénomènes de cavernes et modification de la structure des écoulements selon les conditions opératoires). Ces différentes applications mettent en évidence les aptitudes de la méthode à rendre compte des phénomènes de mélange et à distinguer plusieurs configurations d'agitation, Enfin, une étude en réacteur ouvert compare la Distribution des Temps de Séjour (DTS) obtenue avec la particule et la DTS effectuée avec un traceur chimique moléculaire. Par ailleurs, cette application trajectographique illustre la notion de Distribution des Longueurs de Trajectoires et permet de confronter celle-ci à la Distribution des Temps de Séjour.

This work deals with the utility of a lagrangian approach for flows and mixing characterisation. This novel approach fills the gap between complete eulerian descriptions and global systemic methods. Using two CCD cameras, it consists in tracking over a long period (twenty minutes to one hour) the displacements of a small particle (diameter: 2 mm) that is supposed to be a perfect passive tracer of the fluid. After image analysis, the threedimensional trajectory can be reconstructed. The trajectory represents a compact but high amount of information. Thus, this information is analysed thanks to a series of tools, which are more or less linked with usual mixing parameters : velocity properties, fluid homogenization, spatial and temporal trajectories structures. This characterisation is applied to turbulent flows (three different impellers, effect of rotation speed and their vertical position), viscous newtonian fluids (influence of both viscosity and rotation speed, as proposed by the Reynolds number definition) and non-newtonian fluids (existence of cavities and modification of flows structure with operating conditions). Those applications underscore the capacities of the trajectography method to characterise mixing processes and to classify several agitation configurations. At last, through an investigation on the flow in an open reactor, the Residence Time Distribution (RTD) obtained with the particle is compared to the usual molecular RTD. Moreover, this last application of trajectography contributes to the illustration of the Trajectory Length Distribution (TLD) concept and leads to a comparison between RTD and TLD.