Effet des films liquides en évaporation

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Energétique et transferts JURY J. BONJOUR Professeur Rapporteur P. COLINET Professeur Rapporteur P. DURU Maître de Conférences Co-directeur S. GEOFFROY Maître de Conférences Examinateur P. LAVIEILLE Maître de Conférences Examinateur M. PRAT Directeur de Recherche Directeur L. TADRIST Professeur Président Ecole doctorale : MEGeP Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse Directeur de Thèse : Marc PRAT Co-directeur de Thèse : Paul DURU Présentée et soutenue par Fabien CHAUVET Le 26/11/2009 Titre : Effet des films liquides en évaporation

  • duru maître de conférences co

  • mouvement du liquide vers le sommet du capillaire

  • capillaire carré

  • films liquides

  • modélisation du transfert de masse dans la configuration étudiée

  • tube capillaire de section carrée

  • changement de phase liquide-vapeur


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Publié le 01 novembre 2009
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Langue Français
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THÈSE
En v u e d e l' ob t e n t ion d u
DOCTORATD ELUNIV ERSITÉD ETOU LOUSE
D é liv r é p a rNat ional Poly t echnique de ToulouseI nst it ut D iscip lin e ou sp é cia lit é :r ansfer t set t Ener gét ique
Pr é se n t é e e t sou t e n u e p a rFabien CHAUVETLe0926/ 1 1/ 20
Tit r e :apor at ions liqu ides en év Effet des film
J. BONJOUR P. COLI NET P. DURU S. GEOFFROY P. LAVI EI LLE M. PRAT L. TADRI ST
JU RY Pr ofesseur Pr ofesseur Maît r e de Confér ences Maît r e de Confér ences Maît r e de Confér ences Dir ect eur de Recher che Pr ofesseur
Rappor t eur Rappor t eur Co- dir ect eur Ex am inat eur Ex am inat eur Dir ect eur Pr ésident
Ecole d oct or a le :MEGePU n it é d e r e ch e r ch e :de Mécanique des Fluides de ToulouseI nst it ut D ir e ct e u r d e Th è se :Mar c PRAT Co- d ir e ct e u r d e Th è se :Paul DURU
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Remerciements
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Mes remerciements les plus sincères vont à mes deux “chefs”, Marc Prat et Paul Duru, qui ont constitué un duo d’encadrants de thèse qui ne m’a jamais déçu. Ils ont parfaitement rempli leur rôle d’initiateurs à la recherche scientifique en étant toujours très disponibles. Je remercie également les membres du jury pour avoir accepté de juger mon travail de thèse et pour m’avoir donné le diplôme du Doctorat. Durant ces trois années, mes travaux de recherches m’ont amené à travailler avec plusieurs chercheurs, ingénieurs, et techniciens. J’aimerais les remercier comme il se doit. Comment ne pas remercier Sébastien Cazin qui m’a toujours dégoté toute les caméras, les objectifs (notamment le très demandé 200 mm), les panneaux de leds (un tout petit peu rayés après le passage chez GEMP !), les bagues allonges (...) que je voulais pour faire mes manips. Sébastien m’a également appris beaucoup de choses sur la mesure de température par thermographie IR, pour tout je le remercie. Je voudrais remercier aussi Sandrine Geoffroy pour ses calculs sur la diffusion de la vapeur, Pascal Lavieille pour son code de Ray tracing et Richard Clergereaux pour les tentatives audacieuses de traitement de surface des capillaires. A Vincent Laval et Julien Cividini, vont mes remerciements. Pendant leurs stages respectifs, ils ont fait preuve d’esprit critique et ont proposé des idées in téressantes, ce qui m’a permis de prendre du recul. Mes remerciements vont aussi au projet ANR Intensifilm pour son finance ment ainsi qu’à ses membres qui ont suivi périodiquement l’avancée de mes tra vaux. J’en oubli certainement, je transmet donc mes remerciements à toute les per sonnes qui m’ont aidé de près ou de loin dans mes travaux. Passons maintenant à mon activité de monitorat. Moïse Marchal, Patrick Chassaing et Gerald Debenest ont généreusement accepté de me prendre comme encadrant sur leur TP et TD respectifs, je les en remercie. Je remercie tout les autres encadrants avec qui j’ai échangé : Stéphanie Véran, Romain Gers, Magalie Cochet, Marie Duval, Paul, Olivier Praud, Mathieu Roudet, et bien d’autres... Sur un plan moins professionnel, je voudrais remercier chaleureusement mes “colocs” de bureau, à savoir : Mehdi Rebaï (Caribou !), Ian Billanou (qui n’arrive toujours pas à passer le rond point à plus de 80 !) et Vincent Sarrot. L’ambiance dans le bureau m’a toujours convenu, quoique depuis le départ de Mehdi mon oreille virevolte un petit peu, mais rien de méchant... Je remercie aussi Typhaine pour m’avoir soutenu et encouragé pendant la dernière année. Je remercie na turellement tout les thésards du groupe GEMP avec lesquels j’ai passé de bons moments, lazergames, sorties VTT (dédicasse à Dom !), bowling, soirées, repas du midi, pauses ... Je salue également les filles du groupe OTE avec lesquelles il est toujours très agréables de se quereller un petit peu.
iv
Résumé
v
Ce travail est axé sur l’étude de l’évaporation lente d’un liquide confiné dans un tube capillaire de section carrée, en lien avec l’étude du phénomène de séchage. Dans un tel capillaire, si le liquide est suffisamment mouillant, des films liquides se forment par capillarité le long des coins internes. L’évaporation du liquide en sommet de film engendre un pompage capillaire et l’espèce volatile est alors transportée, sous phase liquide, au plus près du sommet du capillaire. Ce mode de transport dépend de la compétition entre les effets capillaires et les effets visqueux et de gravité qui s’opposent tous deux au mouvement du liquide vers le sommet du capillaire. Ces films liquides sont étudiés en adoptant une approche expérimentale. Le principe des expériences est de laisser un liquide volatil s’évaporer dans un tube capillaire carré. Plusieurs expériences d’évaporation sont réalisées en faisant varier la nature du liquide, la taille du capillaire et son orientation (horizontale et verticale). Une méthode de thermographie infra-rouge permet de mesurer le profil de température le long du capillaire. Le refroidissement induit par le changement de phase liquide-vapeur ainsi que sa position sont alors mesurables. A partir d’une méthode de visualisation par ombroscopie, plusieurs grandeurs sont mesurées : position du ménisque principal, taux d’évaporation et épaisseur relative des films. En s’appuyant sur une analyse simple du transfert de masse, on montre alors que les cinétiques d’évaporation obtenues expérimentalement se divisent en trois principales phases caractéristiques, ressemblant fortement aux trois périodes de la cinétique classique de séchage des milieux poreux capillaires. L’analyse de l’hy-drodynamique des films montre qu’il est indispensable de prendre en compte l’arrondi interne des coins des capillaires dans la modélisation de l’écoulement au sein des films. On montre notamment que le phénomène étudié est très sensible à ce paramètre, qui limite l’extension des films. Ce travail expérimental a permis de développer une modélisation du transfert de masse dans la configuration étudiée, couplée à une modélisation de l’écoule-ment des films, et finalement de proposer un modèle de séchage d’un capillaire carré quantitativement satisfaisant.
Mots clés: capillarité, mouillabilité, tube capillaire, films évaporation, changement de phase liquide-vapeur, transfert fluidique, thermographie infra-rouge, ombroscopie.
liquides, séchage, de masse, micro-
vi
Abstract
In connection with the study of the phenomenon of drying, this work focuses on the study of slow evaporation of a liquid confined in a capillary of square cross section. In such a capillary, if the liquid wetting contact angle is low enough, liquid films are trapped by capillary forces along the capillary inside corners. Evaporation of the liquid at the film top creates a capillary pumping. The volatile species is then transported in liquid phase to the top of the capillary. This efficient mode of transport depends on the competition between the effects of capillarity and the effects of viscosity and gravity both opposing to the liquid flow towards the top of the capillary. In this work, the liquid films are studied experimentally. The principle of the experiments is to leave a volatile liquid evaporate in a square capillary tube. Several evaporation experiments are conducted, varying the liquid, the capillary tube size and its orientation (horizontal and vertical). An infrared thermography method allows to measure the temperature profile along the capillary. The cooling induced by the liquid-vapor phase change and its location is then measured. Owing to an ombroscopy visualization method, the location of the bulk meniscus, the evaporation rate and the relative thickness of the films can be measured. The experimental results show that the evaporation kinetics is similar to the drying kinetics of capillary porous media. This finding allows to study evaporation in a square capillary by analogy with the study of drying of capillary porous media. Based on a simple analysis of mass transfer in the system, it is then shown that the evaporation kinetics obtained experimentally can be divided into three main characteristic phases. The analysis of the hydrodynamic of the films shows that it is essential to take into account the roundeness of the capillary tube inside corners in the modelling of the flow in the films. We show that the phenomenon studied is very sensitive to the degree of roundedness of the tube internal corners, which limits the extension of the films. Modelling of the mass transfer coupled with modelling the film flow lead to a quantitatively satisfactory model of the drying of a square capillary tube.
Key words liquid-vapor ombroscopy.
: capillarity, wetting, phase change, mass
capillary transfer,
tube, liquid films, drying, evaporation, micro-fluidic, infrared thermography,
Table
des
Nomenclature
Introduction
matières
1 Eléments bibliographiques 1.1 Evaporation en capillaire circulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Evaporation en capillaire carré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Statique des films liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Les films de liquide volatil . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Dispositif expérimental et techniques de mesure Matériel expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Les tubes capillaires . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Les liquides volatils . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 La ligne liquide . . . . . . . . . . . . . . . . Conditionnement de l’évaporation . . . . . . . . . .
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
. . . . . . . . . . 2.2.1 Condition à la limite en sommet de capillaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Contrôle de la température ambiante . . . . Techniques optiques de visualisation et de mesure . 2.3.1 Mesure de la position du ménisque principal 2.3.2 Calcul du taux d’évaporation . . . . . . . . 2.3.3 Mesure de l’épaisseur des films liquides . . . Thermographie infra-rouge . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Caméra infra-rouge et corps noir . . . . . . 2.4.2 Préparation des capillaires . . . . . . . . . . 2.4.3 Méthodologie de mesure . . . . . . . . . . . Protocole expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3 Phénoménologie de l’évaporation en capillaire carré 3.1 Effet des films liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Caractérisation des films liquides par thermographie infra-rouge . 3.2.1 Détection de la position du changement de phase . . . . .
vii
xi
1
3 3 7 7 9 12
15 15 15 17 18 19 19 24 27 27 27 31 39 40 41 41 48 49
51 51 52 52
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
Extension maximale des films liquides Extension limitée des films de liquide non volatil . . . Extension limitée des films de liquide volatil . . . . . 5.2.1 Modélisation et technique numérique . . . . . 5.2.2 Résultats numériques . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Modèle simplifié . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparaison avec les résultats expérimentaux . . . . 5.3.1 Longueur des films au décrochage . . . . . . . 5.3.2 Amincissement des films pendant la CRP . . . 5.3.3 Longueur des films après décrochage . . . . . Influence du refroidissement . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Variation de la pression partielle d’équilibre . 5.4.2 Effet Marangoni . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cinétique d’évaporation 61 Identification des trois phases de séchage . . . . . . . . . . . . . . 61 Simulation numérique des expériences d’évaporation . . . . . . . . 63 Phase à taux de séchage constant : CRP . . . . . . . . . . . . . . 66 4.3.1 Amincissement des films liquides . . . . . . . . . . . . . . 66 4.3.2 Variation du taux d’évaporation : écrantage par la diffusion en phase gazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.3.3 Sur la valeur deEpendant la CRP . . . . . . . . . . . . 68 Transition CRP-FRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Phase à taux de séchage décroissant : FRP . . . . . . . . . . . . . 74 4.5.1 Justification de la décroissance rapide deEpendant la FRP 74 4.5.2 Comparaison avec la mesure de la position du sommet des films par thermographie infrarouge . . . . . . . . . . . . . 75 Phase de séchage à front reculant : RFP . . . . . . . . . . . . . . 76 Le cas capillaro-visqueux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
131
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8
B
viii
3.3 3.4
119
127
TABLE DES MATIÈRES
5
53 54 55 56 60
3.2.2 Evolution de la position du changement de phase . . . . . 3.2.3 Amplitude du refroidissement . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Analyse qualitative de l’évaporation en capillaire carré . . Hydrodynamique des films liquides : un premier modèle . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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A Reproductibilité des expériences
91 91 94 95 98 101 103 103 108 109 110 111 113 116
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Conclusion
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Evaporation quasistationnaire
TABLE DES MATIÈRES
C
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Simulation numérique du transport par diffusion de la vapeur 133 C.1 Mise en équations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 C.2 Positionnement de l’interface liquide-vapeur . . . . . . . . . . . . 134 C.3 Méthode numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
D Résistance hydraulique D.1 Formule analytique pourβselon Zhouet al.. . . D.2 Formule analytique pourβselon Chenet al.. . . D.3 Valeurs deβselon Ransohoffet al.. . . . . . . .
137 . . . . . . . . . 137 . . . . . . . . . 137 . . . . . . . . . 138