Résultats complémentaires pour les fortes vitesses de vapeur

Instrumentation La mise en évidence de l'accroissement de l'échange thermique pariétal aux fortes vitesses de vapeur a nécessité le développement d'une nouvelle instrumentation. L'instrumentation de CRYOLOOP s'appuie en partie sur un retour d'expérience mené à Grenoble au CNRS/CRTBT. En effet, le CNRS/CRTBT a, depuis 1997, un expérience comportant un jet d'hélium liquide dans un écoulement d'hélium gazeux avec comme objectif l'étude de la formation de gouttelettes d'hélium liquide (spray). Une collaboration entre SBT et CRTBT a été mise en place. Détection d’une transition vers un régime annulaire : Sonde capacitive pariétale Il s'agit de développer un capteur capable de détecter un film épais remontant le long des parois du tube, caractérisant une transition vers le régime annulaire. Toutefois, ce capteur devra également être peu sensible à un film liquide mince le long des parois, celui-ci pouvant correspondre au ruissellement de gouttelettes liquides ayant coalescées lors de leur descente le long de la paroi du tube. La taille des gouttelettes ayant été estimée dans nos conditions comme restant inférieure à 50 µm, leur écrasement puis un éventuel ruissellement sur la paroi devrait conduire à des épaisseurs largement plus faibles. La problématique devient donc la suivante : concevoir un capteur capable de mesurer le mouillage pariétal, mais peu sensible dès lors que l'épaisseur du film liquide en paroi devient faible devant 50 µm. Pour cela, nous avons utilisé des sondes capacitives pariétales conçues et réalisées par le service de microfabrication du CNRS/CRTBT. Chacune des électrodes est constituée d'un dépôt d'or fin d'une largeur de 200 µm, le jeu entre électrodes étant fixé à 100 µm

 

Pour une définition azimutale plus précise, le périmètre interne du tube est découpé en quadrans sur lesquels sont collées les quatre sondes. Ce capteur permet de mesurer la constante diélectrique du milieu l'entourant, les lignes de champs passant de l'électrode positive à l'électrode négative à travers ce milieu. Typiquement, pour une épaisseur de film liquide recouvrant le capteur égale au pas inter-électrode (ici 100 microns) 90 % des lignes de champs électrique passent dans le liquide. La réponse du capteur est donc dans ce cas représentative du mouillage pariétal. A contrario, pour des gouttelettes s'écrasant en paroi, la couche de liquide de faible épaisseur résultante sera quasiment indétectable par ce capteur.

 

Détection d’une transition vers un régime dispersé de gouttelettes L'analyse fine d'un écoulement dispersé de gouttes nécessite la connaissance du débit massique de gouttes, de la vitesse et de la taille de chaque goutte et de la répartition spatiale de celles-ci à l'intérieur d'une section droite. Pour mesurer le maximum de ces paramètres, on a doté l'expérience CRYOLOOP d'une instrumentation variée mais toujours basée sur des mesures optiques. L'aire inter faciale des gouttelettes a été mesurée à partir de mesures de diffusion de lumière laser. De plus la diffraction aux faibles angles a permis de définir un diamètre moyen pour les gouttelettes. Enfin, un PDPA (Phase Doppler Particle Analyser) a permis de mesurer simultanément la vitesse et la taille des gouttelettes. Analyse des résultats La figure ci-après illustre le rôle des différents capteurs décrits précédemment pour l'analyse du transfert thermique pariétal.

 

Les sondes capacitives indiquent une décroissance monotone du périmètre mouillé alors que la puissance injectée (c'est à dire la vitesse de la vapeur) augmente. Cela montre qu'il n'y a pas de transition vers un écoulement annulaire. A l'inverse les mesures optiques indiquent un accroissement du taux de gouttes avec un comportement identique aux mesures thermiques. On a donc une transition vers un écoulement avec atomisation de la surface libre et redéposition des gouttes en paroi, l'épaisseur de liquide résultant en paroi augmentant fortement l'échange thermique tout en restant suffisamment faible pour ne pas être détectée par les capteurs capacitifs. Par ailleurs, la confrontation des différentes mesures indique une très bonne corrélation entre le surmouillage (défini comme l'excédent de mouillage indiqué par les mesures thermiques lorsqu'on les compare aux mesures capacitives) et les mesures optiques. Cela est cohérent avec un surmouillage dû à un écoulement dispersé de gouttelettes.

 

Maj : 05/11/2010 (194)

 

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