Étude locale et expérimentale des phénomènes interfaciaux, Experimental study of interfacial phenomena

Nicolas Dietrich

Description

Sous la direction de Huai-Zhi Li, Souhila Poncin
Thèse soutenue le 13 novembre 2008: INPL
Ce travail est consacré à l'étude expérimentale des écoulements diphasiques et triphasiques d'inclusions (bulles, gouttes, sphères) en milieux tant newtoniens que non newtoniens à l'échelle microscopique et mésoscopique, en utilisant la visualisation par une caméra rapide, la vélocimétrie par images des particules (PIV) ainsi que la micro-vélocimétrie par images des particules. Des bulles et des gouttes ont été étudiées expérimentalement depuis leur formation, en passant par leur déformation jusqu'à leur coalescence. La formation de bulles dans des micro-mélangeurs a été étudiée et caractérisée par l'obtention de champs de vitesses. Différents paramètres, tels que le cisaillement, la géométrie de la zone de formation, les débits ou encore les propriétés physiques ont été testés afin de développer des lois d'échelles. La traversée d'une interface liquide-liquide par une inclusion a été abordée par des expériences originales, permettant de décrire la dynamique du phénomène, de définir des nombres adimensionnels et de mettre en évidence des instabilités interfaciales. L'effet Weissenberg a également été étudié aux différentes échelles afin de comprendre les phénomènes conduisant à son amplification. Enfin, en milieu viscoélastique et rhéofluidifiant, nous avons caractérisé l'écoulement autour d'une inclusion isolée solide par l'obtention de champs de vitesses. Ces résultats ont permis de confirmer l'origine viscoélastique du sillage négatif et de prédire ses caractéristiques
-µ-PIV
-Ecoulement polyphasique
-Goutte
-Interface liquide-liquide
-Bulle
-PIV
The present work was devoted to the experimental study of the multiphase flow around inclusions in both Newtonian and non-Newtonian media at respectively microscopic and mesoscopic scales, by means of the Particle Image Velocimetry (both PIV and µ-PIV) and fast camera visualization. Bubbles and drops were experimentally studied starting from their formation, the rising and up to their coalescence and fragmentation. Bubble formation in micro-mixers was also investigated and characterized by measuring the liquid velocity fields. Different parameters, such as the shear rate, the geometry of the micro-mixer, the flow rates or the physical properties were tested to develop correlations of power-law kind. The deformation of a liquid-liquid interface due to the passage of an inclusion was investigated by original experiments in order to observe and describe the dynamics of the phenomenon, to define the reliable dimensionless numbers and also to highlight several interfacial instabilities. The Weissenberg effect was also studied at different scales in various non-Newtonian fluids in comparison with Newtonian fluids to understand the amplification phenomena under the combining effects of instability and normal forces. Finally, the flow around an isolated solid inclusion was characterized by performing the measurements of velocity fields in viscoelastic and shear-thinning fluids. These results were used to confirm the viscoelastic origin of the negative wake behind the solid sphere and to model its characteristics
-Multiphase flow
-Bubble
-Drop
-Liquid-liquid interface
-µ-PIV
-PIV
Source: http://www.theses.fr/2008INPL078N/document

Sujets

• Écoulement polyphasique

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 91
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 15 Mo

Extrait

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
École Nationale Supérieure des Industries Chimiques
Laboratoire des Sciences du Génie Chimique
École Doctorale RP2E



THÈSE


Présentée pour obtenir le grade de

Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Spécialité : Génie des Procédés et des Produits


Par

Nicolas DIETRICH


Sujet :

ÉTUDE LOCALE ET EXPÉRIMENTALE DES
PHÉNOMÈNES INTERFACIAUX

Soutenue publiquement le 13 Novembre 2008


Membres du jury

Président M. Noël Midoux, Professeur (LSGC-ENSIC, Nancy)
Rapporteurs M. Laurent Limat, Directeur de recherche CNRS (MSC-ESPCI, Paris)
M. Daniel Schweich, Directeur de recherche CNRS (LGPC-CPE, Lyon)
Examinateurs M. Huai-Zhi LI, Professeur (directeur de thèse, LSGC-ENSIC, Nancy)
Mme. Souhila PONCIN, MdC (co-directrice de thèse, LSGC-ENSIC, Nancy)
M. Patrick LEGENTILHOMME, Professeur (GEPEA-Université de Nantes, Saint-Nazaire)
Invité M. Xavier FRANK, Chargé de recherche INRA (ENGREF-INRA, Nancy)






iiRemerciements
J'ai préparé ce travail au sein du Laboratoire des Sciences du Génie Chimique (LSGC) à
Nancy en tant que allocateur de recherche et également en tant que moniteur du Centre
d’Initiation de l’Enseignement Supérieur (CIES) de Lorraine à la faculté de pharmacie de
Nancy. La soutenance passée, une page se tourne... je voudrais en profiter pour remercier les
différentes personnes avec lesquelles j'ai eu la chance de travailler et qui m'ont aidée de près
ou de loin à réaliser ce travail.

Je voudrais tout d'abord remercier les membres de mon jury, Laurent Limat et Daniel
Schweich pour avoir accepté de rapporter ce travail ainsi que pour la pertinence de leurs
remarques durant la soutenance qui ont permis d’approfondir et d’enrichir les problématiques
abordées au cours de ce travail. Je tiens à exprimer également mes remerciements aux autres
membres du jury, qui ont accepté d’évaluer mon travail de thèse, à savoir Patrick
Legentilhomme et Xavier Frank.

Ma profonde reconnaissance revient ensuite tout naturellement au professeur Huai-Zhi Li,
mon directeur de thèse, pour la confiance qu'il m'a accordée en me confiant ce sujet de thèse,
son soutien permanent, sa rigueur, son envie de partager ses connaissances. Je tiens également
à le remercier pour la sympathie qu’il m’a témoignée au cours de ces trois années de thèse.

Je remercie Madame Souhila Poncin, ma co-directrice de thèse, pour son aide précieuse, sa
présence, sa gentillesse et sa disponibilité qui m'ont permis de travailler dans d'excellentes
conditions et aussi pour ces nombreux conseils précieux concernant le métier d’enseignant-
chercheur.

La thèse constitue une expérience intense, passionnante et marquante. Grâce à Huai-Zhi et
Souhila, elle a été de plus agréable, vivante, et excitante. J'ai beaucoup appris au cours de ma
thèse, tant du point de vue des expériences simples, des raisonnements en lois d'échelle que de
la manière de présenter de manière attractive mes résultats. Merci pour toute cette énergie, ces
idées, ces intuitions. Je souhaite à tous les doctorants d'avoir le même encadrement et la
même interaction et liberté dont j'ai bénéficié.
iiiJe tiens à remercier le professeur Noël Midoux, président du jury, d'une part d'avoir accepté
de présider le jury et d'autre part pour l'intérêt qu’il a toujours porté à ce travail, pour les
différentes discussions, les explications physiques des phénomènes étudiés et pour sa
contribution très importante et riche concernant la formation de bulles.

Je voudrais remercier Michel Sardin, directeur du LSGC, et François Lapicque, responsable
du groupe SYSPOL (Systèmes Polyphasiques), pour m'avoir accueilli au laboratoire.

Merci aux personnes de l'administration, de l'atelier de mécanique du LSGC, des services
techniques (SEMI) et de l'informatique (SIRC) pour permettre le bon fonctionnement du
laboratoire.

Certains des résultats présentés sont à partager avec des étudiants de l'ENSIC, Sylvia Pheulpin
(Projet de fin d’étude 2006) ; Nadia Mayoufi (MASTER Génie des Procédés 2007) et Junwei
Qian (MASTER Génie des Procédés 2008) qui ont collaboré à ce travail en partie sous ma
responsabilité, je vous remercie tous. Je tiens également à remercier Changwei Zhao de
l’université de Tsinghua (Chine) pour sa collaboration précieuse sur l’effet Weissenberg.

Je tiens enfin à remercier mes amis doctorant qui m’ont aidé au cours des trois ans de cette
thèse et plus particulièrement Hélène Debas avec qui j’ai partagé bureau et laboratoire
pendant 3 ans. Je me rend compte aujourd’hui la chance que j’ai eu de pouvoir partager les
découvertes ou les problèmes dans une excellente ambiance.

Un remerciement particulier pour Sébastien Gérard qui a en grande partie contribué à la
relecture du manuscrit et à la préparation du pot de soutenance ainsi que pour son soutien
pendant toutes ses années.

Une pensée au génie de Beethoven et Mozart - en particulier la 7ème symphonie - qui m'ont
inspiré pendant toutes ces années et en particulier durant la rédaction de ce manuscrit.

Je tiens enfin à exprimer mes remerciements ainsi que mon affection à tous mes proches,
qu’ils soient amis ou de la famille, pour leur patience et leur soutien parce qu'ils ont toujours
cru en moi et m'ont toujours fait confiance.
iv







À ma famille,
À ceux qui me sont chers
v vi Table des matières
CHAPITRE I :Introduction, Dispositifs Experimentaux Et Techniques De Mesures................ 1
I.1. Introduction Générale.................................................................................................................................... 3
I.2. Dispositifs expérimentaux.............................................................................................................................. 5
I.2.1. Colonne pour les bulles/gouttes/sphères et les interfaces.......................................................................... 5
I.2.2. Cellule de « Weissenberg »....................................................................................................................... 6
I.2.3. Cellule de cisaillement orthogonale .......................................................................................................... 6
I.2.4. Cellule de nucléation microscopique ........................................................................................................ 7
I.2.5. Cellule de cisaillement de type « Couette » .............................................................................................. 8
I.2.6. Micro-mélangeurs ..................................................................................................................................... 9
I.3. Techniques de mesures................................................................................................................................. 10
I.3.1. Visualisation par caméra rapide.............................................................................................................. 10
I.3.2. Vélocimétrie par Images de Particules (PIV).......................................................................................... 12
I.3.2.1. Le montage expérimental du système PIV...................................................................................... 12
I.3.2.2 Principe de