Écoulements multiphasiques: des fondements aux méthodes d'ingénierie

Benoît Oesterlé

Description

Cet ouvrage traite des écoulements mettant en présence plusieurs phases non miscibles, comme les écoulements de mélanges gaz-liquide ou de suspensions de particules ou gouttelettes, dont on rencontre de nombreuses applications dans la majorité des procédés industriels ainsi que dans les domaines de l'environnement et de la santé. Après une présentation générale des écoulements multiphasiques, des équations qui les régissent et un aperçu des difficultés présentes et des approches envisageables, l'ouvrage s'intéresse dans un premier temps aux mécanismes élémentaires se produisant à petite échelle : transferts interfaciaux, spécificités liées aux particules, gouttelettes et bulles, interactions particules-turbulence, interactions entre particules ou entre particules et paroi. Les principales méthodes de traitement des écoulements multiphasiques sont ensuite présentées, depuis les modèles globaux d'écoulements en conduite aux techniques de suivi d'interface en écoulement gaz-liquide, en passant par les approches eulériennes-eulériennes et eulériennes-lagrangiennes.
Avant-propos. Principales notations. Chapitre 1. Principes généraux et notions de base. Différents types d'écoulements, limitations. Cadre théorique. Particularités des écoulements à phase dispersée. Problèmes liés aux écoulements à phases séparées. Les paramètres adimensionnels en écoulements multiphasiques. MÉCANISMES ÉLÉMENTAIRES. Chapitre 2. Actions hydrodynamiques sur les particules en écoulement dispersé. Actions hydrodynamiques en écoulement uniforme stationnaire. Particules sphériques en écoulement non uniforme stationnaire. Effets instationnaires. Chapitre 3. Gouttes et bulles. Problèmes de forme et vitesse terminale. Formation et évolution des bulles. Fragmentation et coalescence. Atomisation de gouttelettes, sprays. Transferts de chaleur et de masse. Chapitre 4. Interactions particules-turbulence. Diffusion turbulente de particules fluides. Dispersion turbulente de particules discrètes. Modèles de dispersion. Le phénomène de concentration préférentielle. Influence des particules sur la turbulence du fluide. Chapitre 5. Interactions particule-paroi et particule-particule. Interactions particule-paroi. Interactions entre particules. APPROCHES PRÉDICTIVES ET SIMULATIONS. Chapitre 6. Écoulements en conduite : méthodes d'ingénierie classique. Équations intégrales et modèles globaux élémentaires. Écoulements gaz-liquide en conduite. Écoulements gaz-solide en conduite. Chapitre 7. Traitement des écoulements diphasiques dispersés. Équations générales moyennées de la phase continue. Approche eulérienne-eulérienne. Méthodes eulériennes-lagrangiennes. Chapitre 8. Traitement des écoulements à interfaces évolutives : gaz-liquide, liquide-liquide. Méthodes de capture ou suivi d'interface. Écoulements à bulles. Écoulements avec coalescence et/ou fragmentation. Bibliographie. Index.

Sujets

• Sciences physiques
• Mécanique
• Physique

Informations

• Publié par: Hermès - Editions Lavoisier
• Date de parution: 25 octobre 2006
• Nombre de lectures: 182
• EAN13: 9782746242425
• Langue: Français

Extrait

Chapitre 1

Principes généraux et notions de base

Une large part des progrès effectués ces dernières années dans les méthodes de pré- diction de l’ingénieriefluide s’est concentrée dans le vaste domaine des écoulements appelés multiphasiques ou polyphasiques, comme les écoulements de mélanges gaz- liquide ou les écoulements de suspensions de particules ou de gouttelettes. En com- plément de nombreux résultats expérimentaux et face à l’insuffisance des modèles globaux développés antérieurement (pour certains depuis les années 1950), l’augmen- tation constante des efforts de recherche et des moyens numériques a permis d’envisa- ger un traitement de plus en plus précis de ce type d’écoulements, que l’on rencontre dans la majorité des procédés industriels ainsi que dans les domaines de l’environne- ment et de la santé.

Les écoulements multiphasiques sont des écoulements complexes mettant en jeu une très large gamme d’échelles. On parle généralement de modèles à échelle micro- scopique, mésoscopique ou macroscopique pour caractériser lafinesse du niveau de modélisation. Le terme microscopique désigne, par abus de language, l’échelle des plus petites discontinuités présentes dans l’écoulement (chacune des phases étant tou- jours considérée comme un milieu continu). Si l’on prend l’exemple d’un écoulement diphasique à bulles, une approche à l’échelle microscopique reviendrait à déterminer de façon précise l’écoulement du liquide autour de chaque bulle, c’est-à-dire d’effec- tuer une véritable simulation numérique directe. En revanche, un modèle à l’échelle mésoscopique consisterait à étudier le mouvement d’une bulle assimilée à un point matériel dans un champ liquide donné, à partir d’une loi d’interaction liquide-bulle (issue d’un modèle microscopique) et donc sans se préoccuper des détails au voisinage de l’interface. L’intégration des différentes interactions issues des modèles à échelle microscopique ou mésoscopique dans des équations de bilans moyennées pour chaque phase aboutit aux modèles macroscopiques eulériens, qui sont bien entendu les plus

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Ecoulements multiphasiques

avantageux en temps de calcul et les plus adaptés aux problèmes réels à grande dimen- sion, mais ne permettent pas actuellement de prendre en compte tous les mécanismes à échelle plus petite et ne donnent pas d’indication sur les propriétés individuelles de chaque particule.

La première partie de cet ouvrage s’intéresse aux phénomènes et mécanismes élé- mentaires se produisant à petite échelle. Elle est composée des chapitres 2 à 5 consa- crés respectivement aux actions hydrodynamiques exercées sur les particules en sus- pension, aux interactions particules-turbulence, aux gouttelettes et bulles, et aux inter- actions entre particules ou entre particules et paroi. La deuxième partie est consacrée aux principales méthodes de traitement des écoulements multiphasiques (chapitres 6- 8). Dans le souci de ne pas négliger les possibilités d’évaluer de façon rapide certaines caractéristiques globales des écoulements diphasiques en conduite, nous consacrons le chapitre 6 aux modèles d’ingénierie classique élaborés (pour certains depuis des décennies) pour ce type de configuration.

Après une présentation générale des écoulements multiphasiques et de leurs ap- plications essentielles, nous complétons ce chapitre préliminaire par une partie consa- crée aux équations générales, puis nous envisageons quelques particularités propres aux deux types principaux de configuration, écoulements à phases séparées et écoule- ments dispersés, et donnons de premiers repères permettant de s’orienter vers le choix d’une approche.

1.1. Différents types d’écoulements, limitations

1.1.1.Tentative de classification

On est amené à faire une distinction, surtout en raison des méthodes de traitement qui leurs sont applicables, entre : – les écoulements dispersés au sens strict, où l’une des phases se présente sous forme de particules de dimensions très petites par rapport aux échelles de longueurs caractéristiques de l’écoulement dufl; ces particules, qu’elles soientuide « porteur » inclusions solides, bulles ou gouttelettes, peuvent être supposées sphériques de sorte que dans ce type de problème les interfaces entre phases sont de forme connue ; – les écoulements gaz-liquide ou liquide-liquide à interfaces évolutives, incluant les écoulements dits à phases séparées qui peuvent se présenter sous forme d’écou- lements stratifiés, à poches, etc., ainsi que les écoulements contenant des particules fluides sujettes à déformation, de dimensions relativement grandes et variables, qui ne sont pas des écoulements dispersés au sens strict défi; dans cette catégo-ni ci-dessus rie d’écoulements les phases sont séparées par des interfaces complexes et fortement instationnaires, dont la forme fait partie des inconnues du problème ; – les combinaisons entre les deux cas précédents, où sont présentes simultanément des interfaces à grande échelle (supérieure à la taille des mailles du calcul numérique)

Principes généraux et notions de base

Figure 1.1.Exemple d’écoulement diphasique à interfaces multi-échelles

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et des inclusions de petites dimensions, pour lesquelles il faut faire appel à des tech- niques de traitement hybrides. Exemple : écoulement gaz-liquide en conduite avec poches gazeuses, petites bulles dispersées et gouttelettes (voirfigure 1.1).

Les écoulements considérés ici sont dits multiphasiques, le mot phase étant com- pris au sens large : on peut rencontrer des écoulements triphasiques comportant deux phases liquides (écoulements eau-air-pétrole par exemple) ou deux phases gazeuses séparées (comme dans certains problèmes d’ébullition où la vapeur peut être empri- sonnée entre le liquide et une paroi chaude, alors que la surface supérieure du liquide est en contact avec l’air ambiant). Par ailleurs, dans certaines méthodes de traite- ment d’écoulements polydispersés (c’est-à-dire où la phase dispersée est composée de particules de diamètres très divers, voir 1.3.6.2) la phase particulaire est divisée en plusieurs classes de diamètres, chaque classe jouant alors le rôle d’une phase supplé- mentaire. Pour ce qui concerne les écoulements diphasiques dispersés, le tableau 1.1 propose une classification sommaire en fonction de la nature dufluide porteur et de la phase dispersée.

Fluide porteur

GAZ

LIQUIDE

Phase dispersée

Solide

Liquide

Solide

Liquide (non miscible) Gaz

Dénominations particulières Aérosols Fumées Suspensions Litsfluidisés (forte concentration) Aérosols (général) Sprays, brouillards Nuages Suspensions Boues (forte concentration) Emulsions

Bouillons (α G ≪1) Mousses (α G ≈1)

Tableau 1.1.Différentes catégories d’écoulements diphasiques dispersés

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Ecoulements multiphasiques

1.1.2.Applications industrielles et autres

1.1.2.1.Applications en écoulements dispersés Voici les principaux domaines dans lesquels on rencontre des écoulements dipha- siques dispersés, avec quelques exemples d’applications pour chacun d’eux :

– environnement : - traitement de l’eau (sédimentation,floculation, aération par bullage) ; - dispersion de particules dans l’atmosphère ; - impacts des aérosols atmosphériques (santé publique, monuments, . . .) ; - contamination par les aérosols dans les locaux (microélectronique, industrie agroalimentaire, hygiène, . . .) ; - captation,filtration, dépoussiérage ; - cours d’eau (charriage, sédiments).

– météorologie : - pluie, neige, brouillard ; - production, transport et évaporation des aérosols marins. – génie des procédés, ingénierie des solides divisés : - litsfluidisés ; - réacteurs gaz-solide ; - technologie des poudres (production, atomisation, séchage, déposition) ; - mélange (industrie pharmaceutique, . . .) ; - transport (hydraulique, pneumatique, déposition, érosion) ; - classification, séparation (collecteurs cyclones, . . .). – combustion : - brûleurs, chaudières à charbon pulvérisé ; - injecteurs, carburateurs ; - moteurs fusées à propergols solides.

– pulvérisation (sprays) : - peinture, traitements agricoles, refroidissement ; - revêtement de surface (coating) ; - protection et lutte contre les incendies (rideaux d’eau pare-feu, largage). – cavitation, microbulles : - pompes ; - hydrofoils (réduction de traînée par microbulles) ; - ébullition nucléée.

L’intérêt majeur des écoulements dispersés dans les procédés industriels réside dans l’augmentation considérable de la surface d’échange, et donc des transferts de masse, de chaleur ou de quantité de mouvement, obtenue grâce à la division du maté- riau (solide, liquide ou gaz). En effet, la surface d’échange offerte par un volumeVde

Principes généraux et notions de base

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3 matière se présentant sous la forme deNsphères de diamètred, soitV=/N πd 6, est 6V6V 2 2 S=N πd=πd= 3 πd d

donc inversement proportionnelle au diamètre des particules.

E XEMPLE .– Un litre d’eau non divisé présente une surface d’échange avec le mi- 2 lieu extérieur de l’ordre de0.05En divisant ce litre d’eau en gouttelettes de dia-m . 12 mètre10µm (soit environ1.9∙10gouttelettes), on obtient une surface d’échange de 2 600 m !

1.1.2.2.Applications en écoulements à interfaces évolutives On peut citer, sans prétention d’exhaustivité, les domaines suivants : – génie nucléaire : circuits de refroidissement, écoulements eau-vapeur ; – génie chimique : colonnes à bulles, contacteurs liquide-liquide, distillation ; – traitement des eaux et des effluents ; – sidérurgie : brassage de l’acier liquide, élimination des impuretés ; – dispositifs à changement de phase : générateurs de vapeur, évaporateurs, conden- seurs ; – industrie pétrolière : extraction, transport ; – transport du gaz naturel ; – turbines à vapeur (condensation) ; – écoulements diphasiques en micro-canaux (fractures, piles à combustibles) ; – rupture et fragmentation de jets (production de sprays, imprimantes à jets d’encre) ; – etc.

1.1.3.Limitations de cet ouvrage

Les thèmes suivants, qui demanderaient des développements sortant du cadre que nous nous sommesfixé, ne seront pas abordés ici : – écoulements granulaires denses ; – émulsions, mousses ; – suspensions liquide-solide concentrées, type boues ou pulpes, relevant plutôt du domaine desfluides complexes ; – écoulements réactifs, combustion ; – méthodes numériques ; – techniques de mesures.