Analyse expérimentale des interactions écoulement-paroi par PIV et polarographie en utilisant des sondes multi-segmentées : application à un rhéomètre plan-plan et un système de Couette-Taylor

Experimental analysis of fluid-wall interactions by PIV and polarography using multi-segment probes : application to parallel plate rheometer and Couette-Taylor system

• Auteur / Autrice : Emna Berrich
• Direction : Fethi Aloui, Jack Legrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés. Mécanique des fluides et des transferts
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarographie

Taylor, Tourbillons de

Problèmes inverses

Mots clés libres

Ecoulement de Taylor-Couette

Rhéomètre plan-plan

Gradient pariétal de vitesse

Structures cohérentes

Transfert de masse

Sondes simples, doubles et triples

Résumé

Ce travail est une étude expérimentale des mécanismes de transfert pour un écoulement oscillant dans un rhéometre plan-plan et pour un écoulement de Couette-Taylor sans et avec écoulement axial. Nous avons effectué d'abord une étude qualitative en visualisant les instabilités grâce à des particules de kalliroscope. Ensuite, une étude quantitative utilisant la PIV et la polarographie a été effectuée. La PIV classique a servi à caracteriser les régimes d’e��coulement des premières instabilités (TVF, WVF, MWVF et TN) en analysant les composantes moyennes et fluctuantes de la vitesse. La PIV rapide a permis d’étudier les régimes WVF, MWVF et turbulent. Pour bien extraire les structures tourbillonnaires, différents criteres de détection de tourbillons ont été développés (la vorticite ω, le critere Q et le critere G2). Les vortex de Taylor ont été caracterisés en termes de nombre d’ondes, taille, forme, centre, longueur d’onde axiale et azimutale, etc. L’écoulement axial peut avoir un effet stabilisant sur l’écoulement de Couette-Taylor. En effet, la présence d’un écoulement axial peut déplacer les vortex de Taylor dans la même direction ou la direction inverse du flux axial impose, peut générer la formation de vortex hélicoidaux ou la brisure et la disparition des vortex. En polarographie, la méthode inverse a été validée expérimentalement sur un rhéometre plan-plan, puis sur le systeme de Couette-Taylor pour le cas de sondes simples, doubles et triples. Les résultats de cette méthode ont été comparés à ceux d’autres approches classiques, afin de définir les domaines de validité de chacune d’elles en termes de fréquences, amplitudes d’oscillation, effet de la frontière isolante et direction d’écoulement. Ces approches ont été ensuite exploitées pour déterminer le gradient parietal de vitesse. L'utilisation de la sonde triple dans la caractérisation des structures tourbillonnaires a contribué à la compréhension des mécanismes d’interaction vortex-paroi et à la détermination des composantes du gradient parietal. La synchronisation entre la PIV et la polarographie a servi à étudier l’interaction vortex-paroi et a montré une bonne cohérence entre les caractéristiques des vortex et les gradients pariétaux et instantanés.

This work deals with an experimental analysis of the transfer mechanisms on oscillatory flows in parallel plate rheometer and on Couette-Taylor flows without and with axial flow. Firstly, a qualitative study by visualization using kalliroscope particles was done. Secondly, a quantitative study by PIV (low and high speed) and by polarography using multi-segment probe have been used to characterize the impact of vortex structures on the Couette-Taylor flows without and with an axial flow on the transfer. Standard PIV technique was used to characterize the flow regimes of first instabilities (TVF, WVF, MWVF and TN) by analysing the mean and fluctuating velocity components. High speed PIV was used to study the WVF, MWVF and turbulent regimes. To extract the vortex characteristics, different detection criteria were developed (the vorticity ω, the Q criteria and the G2 criteria). We determined the Taylor vortices characteristics such as wave number, size, form, centre, axial and azimuthal wavelength, etc. We demonstrated that an axial flow can have a stabilized effect on the flow. In fact, an axial flow imposed to Couette-Taylo flow can move the Taylor vortices in the same direction or the opposite direction of the imposed axial flow, can generate the formation of helicoidal vortices or the disappearance of the vortices. In polarography, inverse method was validated experimentally using a Parallel Plate Rheometer and the Couette-Taylor system using single, sandwich and three-segment probes. Results of this method were compared to those of the other approaches. Thus, validity domains of every approach were defined in term of frequency, oscillation amplitude, isolated gap effect, and flow direction effect. These approaches were then used to determine the wall shear rate. We used three-segment probe to characterise the vortex-wall interaction mechanisms and to determine the wall shear rate components. PIV - Polarography synchronization allowed the vortex-wall interaction study and demonstrated the good agreement between the vortex characteristics and the instantaneous wall shear rates.