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THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie des procédés et de l'environnement


Présentée et soutenue par Amélie POUPLIN
Le 16 décembre 2009


Titre : Ecoulements liquide-liquide dispersés homogènes en conduite
horizontale: approche locale en milieu concentré
JURY
M. Jean-Pierre HULIN Rapporteur
M. Geoffrey HEWITT Rapporteur
M. John HINCH Examinateur
M. François CHARRU Examinateur
meM Sandrine DECARRE Membre invitée
M. Olivier MASBERNAT Directeur de thèse
M. Alain LINE Directeur de thèse


Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés
Unité de recherche : Laboratoire de Génie Chimique, Toulouse
Directeur(s) de Thèse : O. Masbernat et A. Liné

























Aonrrièrerandère
J.chneider
Remerciements



Cettethèseestl’aboutissementdetroisannéesderecherchepasséesauseinduLaboratoirede
Génie Chimique. Elle n’aurait pas vu le jour sans le concours ni le soutien de nombreuses
personnes…

JevoudraiscommencerparremerciermesdirecteursdethèseAlainLinéetOlivierMasbernat.Je
vousemercieourouteueous’avezappris,pourosonseilstotreconfiance.
Jeiens%emercier&andrine'écarreouraonfiancetonoutienendantesrois
nnées.

Jeremercieégalementtouslesmembresdujury*MessieursHulinetHewittd’avoiracceptéde
rapporter ce travail, pour leur lecture minutieuse du manuscrit, leurs remarques et toutes les
discussions intéressantes que nous avons eu, Monsieur Charru d’avoir fait partie de ce jury et
pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail, et enfin Monsieur Hinch de m’avoir fait l’honneur de
présidereurytouronnthousiasme$ace
uxrésultats.

Je tiens à remercier l’ensemble du personnel technique du laboratoire, en particulier, Jacques
Labadie, Alain Muller, Lahcen Fahri, Ignace Coghe et Christine Rey pour leur aide, leur
disponibilitéteuronneumeur.
JeremercieégalementEmmanuelCidetsurtoutSébastienCazinpourlesconseilstechniqueset
leur
ideoncernant’utilisationeahaîne3IV.

Jesouhaiteadresserungrandmerciàtouslesamisdulabo,Nicolas,Alicia,Mallorie,Edgar,Zoé,
Laurie,Félicie,Ilyes,Michelinepourtoutesnosdiscussionsetlesmomentspartagésensemble,
tousles«
nciens8dubureauGIMDNelson,Romain,Christophe,Lynda,Soualo,Asif,Nicolas
etBaptiste,ainsiqueCharlotte,Marianne,Maha,Riccardo,Julie…ettousceuxquejen’aipas
nommés…

Jetermineraiparremerciermafamille,mesgrandsparents,mesparents,JeanBaptiste,Arnaud,
Eric,9enoîttnfinicolasouronnfinieatience…

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Nomenclature


Lettresatines

D diamètreeaconduite m
D diamètreydraulique mH
d diamètrees(outtes mp
d diamètree&auter m32
d diamètreaximumtable mmax
facteure$rottement :f
2 2g accélérationeesanteur m .s
:1N vitesseeotation tr.min
fréquence Hz
n
indicee ’écoulement :
2 :3Pr productionurbulente m .s
R rayonea onduite m
T température °C
t tempseelaxationes(outtes sd
t tempsaractéristiqueeaurbulence st
:1U vitesseoyennee’écoulement m.s m
:1V vitessenstantanée m.s
:1v fluctuationeitesse m.s
:1vitesseocaleoyenne m.s V
:1
* vitessee$rottement m.s
v

Lettres
recques

macrochellee?aylor m
microchellee?aylor m
2 :3dissipationurbulente m .s
porositéansesélangeurstatiques :
MS
nfacteureonsistance@ chapitre5) Pa.s
:1nombre’onde@chapitre4 ) m
échelleeDolmogorov m
:1 :1viscositéynamiqueeaphaseontinue kg.m .s
c
:1 :1viscositéynamiqueeaphaseispersée kg.m .s d
:1 :1viscositéynamiqueuélange kg.m .s
m
:3masseolumiqueeahaseontinue kg.m
c
:3masseolumiqueeahaseispersée kg.m
d
:3masseolumiqueuélange kg.m
m
2 :1viscositéinématiqueumélange m .s m
tensionnterfaciale Pa.m
. :1tauxeisaillement s
fractionolumique :
termeeontrainte Pa
termeeontrainte%aaroi Pa
p
termeeontrainteisqueuse Pa !
termeeontrainteurbulente Pa t
distance%aaroi m
r
s
s
g
D
m
r
r
r


Nombres
dimensionnels

Ca nombreapillaire & dc p=
2
Fr nombree/r oude 2Uc m=
gd p
Re nombree1 eynoldseélange U Dm m m=

m
St nombree&tok es = t t d t
2We nombreeF eber DUc m=

Indices

c phaseontinue
d phaseispersée
m indiceeélange


Sommaire



1. INTRODUCTION GENERALE................................................................................................................ 3

2. DISPOSITIF EXPERIMENTAL ET TECHNIQUES DE MESURES ................................................ 13
2.1. DISPOSITIFEXPERIMENTAL................................................................................................................. 14
2.1.1. Systèmedephases ......................................................................................................................... 14
2.1.2. Laboucleliquide liquide .............................................................................................................. 14
2.1.3. Métrologie..................................................................................................................................... 18
2.2. VELOCIMETRIEPARIMAGESDEPARTICULES(PIV)............................................................................ 19
2.2.1. PrincipedelaPIV......................................................................................................................... 19
2.2.2. MontagedusystèmePIV............................................................................................................... 20
2.2.3. Calculdesvitessesinstantanées.................................................................................................... 23
2.3. QUALIFICATIONDEL’ECOULEMENTENREGIMETURBULENT.............................................................. 27
2.3.1. Pertedecharge ............................................................................................................................. 27
2.3.2. Champdevitesse........................................................................................................................... 28
2.4. CARACTERISATIONDESECOULEMENTSDISPERSES ............................................................................. 31
2.4.1. Distributiondetailledesgouttes................................................................................................... 31
2.4.2. Homogénéitédesécoulementsdispersés....................................................................................... 34
2.4.3. Stabilitédesécoulementsdispersésenrégimeturbulent .............................................................. 39
2.5. CONCLUSION ...................................................................................................................................... 42

3. FROTTEMENT PARIETAL DES ECOULEMENTS DISPERSES LIQUIDE-LIQUIDE ............... 47
3.1. WALLFRICTIONANDEFFECTIVEVISCOSITYOFAHOMOGENEOUSDISPERSEDLIQUID%LIQUIDFLOWINA
HORIZONTALPIPE.............................................................................................................................................. 49
3.2. FROTTEMENTPARIETALDESDISPERSIONSFORMEESPARLESMELANGEURSSTATIQUES..................... 73
3.2.1. Régimed’écoulement .................................................................................................................... 73
3.2.2. Frottementpariétal ....................................................................................................................... 76
3.3. CONCLUSION ...................................................................................................................................... 77

4. COMPORTEMENT HYDRODYNAMIQUE DES ECOULEMENTS DISPERSES ......................... 81
4.1. REGIMETURBULENT........................................................................................................................... 83
4.1.1. Etudeduchampmoyen ................................................................................................................. 84
4.1.2. Etudeduchampfluctuant.............................................................................................................. 90
4.1.3. Bilandequantitédemouvement ................................................................................................... 92
4.1.4. Echellesdeturbulence .................................................................................................................. 95
4.1.5. Discussionsurlesinteractionsgouttes/turbulence ..................................................................... 106
4.1.6. Dispersiondegouttesdetailled ≈400
m ................................................................................. 10932
4.1.7. Bilansurlaturbulencedesécoulementsdispersés ..................................................................... 112
4.2. REGIMEINTERMITTENT .................................................................................................................... 113
4.2.1. Etudeduchampmoyen ............................................................................................................... 114
4.2.2. Termesdecontraintesvisqueuseetturbulente............................................................................ 117
4.2.3. Etudeduchampfluctuant............................................................................................................ 120
4.2.4. Bilansurlesécoulementsdispersésenrégimeintermittent........................................................ 124
4.3. REGIMELAMINAIRE .......................................................................................................................... 125
4.3.1. Etudeduchampmoyen ............................................................................................................... 126
4.3.2. Bilandequantitédemouvement ................................................................................................. 128
4.3.3. Etudedesfluctuationsdevitesselongitudinale........................................................................... 130
4.3.4. Bilansurlesécoulementsdispersésenrégimelaminaire........................................................... 133
4.4. CONCLUSION .................................................................................................................................... 135





5. ECOULEMENT DENSE........................................................................................................................ 139
5.1. PARAMETRESDEL’ECOULEMENT ..................................................................................................... 140
5.2. PROFILSDEVITESSE.......................................................................................................................... 142
5.3. LOIDECOMPORTEMENT ................................................................................................................... 143
5.4. VISCOSITEAPPARENTE ..................................................................................................................... 149
5.5. LOIDEFROTTEMENTPARIETAL......................................................................................................... 153
5.6. CONCLUSION .................................................................................................................................... 157

6. CONCLUSION GENERALE................................................................................................................. 161

Références bibliographiques (165)


ANNEXES :
1. RÉGIME TURBULENT......................................................................................................................... 175
1.1. PROFILSDEVITESSELONGITUDINALE............................................................................................... 176
1.2. PROFILSNORMALISESDEVITESSELONGITUDINALE.......................................................................... 180
1.3. PROFILDEVITESSERADIALE............................................................................................................. 184
1.4. PROFILSDESVITESSESRMS............................................................................................................... 188
1.5. BILANDEQUANTITEDEMOUVEMENT............................................................................................... 192
2. RÉGIME INTERMITTENT .................................................................................................................. 197
2.1. PROFILSDEVITESSELONGITUDINALE............................................................................................... 198
2.2. PROFILDEVITESSERADIALE............................................................................................................. 201
2.3. PROFILSDESVITESSESRMS............................................................................................................... 204
2.4. TERMESDECONTRAINTESVISQUEUSEETTURBULENTE.................................................................... 207
3. RÉGIME LAMINAIRE.......................................................................................................................... 211
3.1. PROFILSDEVITESSELONGITUDINALE............................................................................................... 212
3.2. COMPARAISONENTRELACONTRAINTEVISQUEUSEETLETERMEDEPERTEDECHARGE................... 215