Écoulements liquide-liquide dispersés homogènes en conduite horizontale : approche locale en milieu concentré, Homogeneous dispersed liquid-liquid flow in a horizontal pipe : local approach in concentrated medium

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Sous la direction de Olivier Masbernat, Alain Line
Thèse soutenue le 16 décembre 2009: INPT
Dans ce travail, des écoulements liquide-liquide dispersés homogènes (c'est-à-dire sans gradient de concentration) ont été étudiés dans une conduite horizontale de 7.5m de long et de 50mm de diamètre interne. Les expériences ont été réalisées dans une large gamme de paramètres opératoires (vitesses de mélange comprises entre 0.28 et 1.2m/s et concentration volumique en phase dispersée, f, de 0.08 à 0.7). Le facteur de frottement de ces écoulements a été mesuré et modélisé en régime turbulent, intermédiaire et laminaire. Ces différents régimes ainsi que l’effet de la concentration en phase dispersée ont été identifiés à partir des mesures locales de vitesse par une technique de vélocimétrie par image de particules (PIV). Lorsque f=0.56, les dispersions se comportent comme des fluides newtoniens auxquels le concept de viscosité effective peut s’appliquer. Le modèle de viscosité de Krieger et Dougherty (1959) décrit l’ensemble des émulsions formées. Le facteur de frottement mesuré suit les lois de frottement classiques en régime laminaire et turbulent (Hagen-Poiseuille et Blasius respectivement) en fonction du nombre de Reynolds basé sur les propriétés de mélange des émulsions (densité et viscosité). Toutefois, la concentration en phase dispersée induit un retard à l’apparition de la turbulence. En milieu très concentré (f=0.7), la dispersion a un comportement rhéofluidifiant et suit la loi d’Ostwald avec un exposant, n=0.5. Tous ces écoulements ont été étudiés, en détail, par l’analyse locale des vitesses.
-Ecoulement dispersés
-Ecoulement liquide-liquide
-Viscosité effective
-PIV
-Facteur de frottement
-Conduite horizontale
Homogeneous dispersed flows have been investigated in a horizontal pipe (7.5m long and 50mm internal diameter) in a wide range of flow parameters (mixture velocity from 0.28 to 1.2m/s and concentration, f, up to 0.7). In this work, the wall friction of this emulsion has been measured and modeled in turbulent, intermediate and laminar regime. The different flow regime and the effect of dispersed phase volume fraction have been determined from the velocity profiles measured by PIV measurements in a refractive index matched medium. When f=0.56, emulsion behaves as newtonian fluid. It was shown that the concept of effective viscosity is relevant to scale the wall friction of the emulsion flow. The effective viscosity follows the classical trend of low inertia suspension of hard spheres (Krieger & Dougherty 1959). The friction factor is described by the classical single phase laws in turbulent and laminar regime (Hagen-Poiseuille and Blasius respectively) as a function of Reynolds number based on mixture properties (density and viscosity). Compared to single phase flow, the transition to turbulence is delayed as dispersed phase fraction is increased. For higher dispersed phase fraction (f=0.7), emulsion behaves as a shear-thinning fluid. Emulsion follows the Ostwald law with an exponent equal to 0.5. All these homogeneous dispersed flow have been studied in details.
-Liquid-liquid flow
-Dispersed flow
-Effective viscosity
-Friction factor
-PIV
-Horizontal pipe.
Source: http://www.theses.fr/2009INPT044G/document
Publié le : mardi 1 novembre 2011
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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
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T température °C
t tempseelaxationes(outtes sd
t tempsaractéristiqueeaurbulence st
:1U vitesseoyennee’écoulement m.s m
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:1vitesseocaleoyenne m.s V
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Lettres
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macrochellee?aylor m
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:1 :1viscositéynamiqueeaphaseontinue kg.m .s
c
:1 :1viscositéynamiqueeaphaseispersée kg.m .s d
:1 :1viscositéynamiqueuélange kg.m .s
m
:3masseolumiqueeahaseontinue kg.m
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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
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D
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Nombres
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2
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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

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