Sujet

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Sujet
1
Etude hydrodynamique de fluides
diphasiquessolide-liquide en conduite
circulaire Application au coulis de glace
Patrick REGHEM Directeur de thèse J-P DUMAS
Codirecteur B.STUTZ LaTEP
Etude hydrodynamique de fluides diphasiques
17 décembre 2002
2
contexte
Contexte de cette étude REMPLACER OU LIMITER
les fluides frigorigènes classiques tels que
composés Fluorés CFC, HCFC et HFC méthane,
propane, isobutane,... ammoniac,
2
ALTERNATIVE Limiter ces fluides frigorigènes à
leur rôle de production de froid ? Le transport
et lutilisation du froid est réalisé par
lintermédiaire dun fluide frigoporteur
inoffensif pour lhomme et pour lenvironnement
3
frigoporteurs
3
Fluides frigoporteurs

• MONOPHASIQUES
• - T gt 0C ? eau,
• - T lt 0C ? solutions aqueuses de glycols,
  d alcools, de sels, d ammoniac,

• DIPHASIQUES
• - liquide-gaz
• - liquide-solide
• - Phase solide de même nature que le
  liquide porteur
• - glace eau (0C)
• - glace solutions aqueuses (alcools, sels,
  ammoniac)
• - Phase solide de nature différente du
  liquide porteur
• - émulsions
• - matériau à changement de phase encapsulés
• - gels

4
MCP
Avantage des fluides diphasiques
4
Chaleur sensible
Chaleur latente
Un mélange deau 30 de glace (coulis de glace
) a un pouvoir frigorifique 25 fois supérieur à
celui de leau.
5
domaine
5
Domaines dutilisations

• Climatisation des grands bâtiments
• centres commerciaux, aéroports, gares, grands
  immeubles
• Froid industriel
• industrie agroalimentaire, entrepôts
  frigorifiques, bateaux,

6
Objectifs
6

• Etudier lhydrodynamique des fluides diphasiques
  liquide-solide
• dans le cas général et dans le cas du mélange
  liquide-glace
• en particulier
• - viscosité ?
• - perte de charge ?
• - vitesse débitante optimale ?
• -

• Apporter des solutions aux problèmes techniques
• liés à lutilisation de ces fluides.
• - Type de pompe ?
• - Diamètre des conduites?
• - Singularités ?
• -

7
Plan de présentation
7

• Dispositifs expérimentaux - étude eau billes
• - étude du coulis de glace
• Résultats expérimentaux - rhéologie
• - régimes découlement
• - pertes de charge - structure des
  écoulements
• - singularités
• Corrélation du coefficient de perte de
  charge
• Conclusion Perspectives

8
Boucles dessais
8
Conception et Réalisation des dispositifs
expérimentaux
9
diphasique
Banc dessais pour l étude des écoulements eau -
billes
9
Billes de polypropylène Diamètre moyen
3.6mm Densité 889kg/m 3
10
Photos montdesc
Boucle détude des fluides diphasiques
10
11
Boucle coulis
Banc expérimental détude du coulis de glace
11
Coulis de glace Phase liquide eau 10
éthanol Dimension moyenne des cristaux de glace
0.1mm
12
Instrum.
Instrumentation
12
Tube de Pitot
13
Fraction solide
13
Mesures de la concentration des particules solides

• Fraction de solide

• Titre de solide

14
Fg (T)
FRACTION DE GLACE à partir de la température
14
masse volumique de la glace
r  masse volumique du mélange (?débitmètre)
15
Titre de glace
TITRE DE GLACE à partir de la masse volumique
15
masse volumique de la
solution liquide
16
dP
16
Mesure des pertes de charge
0-2bars 0-200mbars /- 20mbars /- 2mbars
Précision des capteurs 0.1 de
létendue de mesure
Corrélation de Blasius 
17
Mesure ue
Mesure des vitesses locales de leau
17
Tube de Pitot
Réglet de positionnement
18
RESULTATS
18

• RESULTATS EXPERIMENTAUX
• - Régimes découlement
• - Profils de vitesse
• - Pertes de charge

19
Régimes stratifiés
Régimes découlement STRATIFIES
19
 
 
 
 
Lit fixe Fraction  de billes 0.20 vitesse
débitante  0.2m/s Diamètre de la conduite  D50
Lit mobile de billes Fraction de billes 
0.20 vitesse débitante  0.5m/s Diamètre de la
conduite  D50
20
Régimes suspensions
20
Régimes d écoulements NON STRATIFIES
régimes découlement
 
 
 
Ecoulement hétérogène fraction de billes 
0.20 vitesse débitante  0.5m/s Diamètre de la
conduite  D50 Fichier 20W50b
Ecoulement homogène descendant fraction de
billes  0.10 vitesse débitante  0.5m/s Diamètre
de la conduite  D50 Fichier homo coude3
21
Carto billes
21
Cartographie de lécoulement eau-billes
22
Régimes Ice
Ecoulement avec lit mobile
22
U0.1m/s  mélange eau10 éthanol  T-4.9C  5
de glace  tube D50
Régimes découlement du coulis de glace
Écoulement hétérogène
Ecoulement homogène
U0.2m/s  mélange eau10 éthanol  T-5.2C 
10 de glace  tube D50 
U0.5m/s  mélange eau10 éthanol T-5.9C 
20 de glace  tube D50 
23
Carto coulis
23
Cartographie du coulis de glace
annulaire
Homogène
Lit mobile
Hétérogène
Dessin carto ice 3.drw (portable)
24
Structure écoul.
24
Structure des écoulements diphasiques Nature
des fluides ? Régimes hydrodynamiques
? Répartition des phases liquide et solide ?
25
Rhéologie

RHEOLOGIE du mélange diphasique liquide-billes
25
Fichiercellcouet3drw
26
Profils
Profils de vitesse des écoulements eau BILLES
26
y/D
U 0.2m/s  j 26
0.5
Lit fixe
0.25
u
/U
Lit mobile
e
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
-0.25
eau
-0.5
U variable  j 15
27
répart masse
 
Bilan de masse des écoulements eau BILLES
27
ue vitesse locale de leau ub vitesse locale
des billes
28
Te Tb
50
Bilan contrainte de cisaillement pariétal
Bilan M et QDM
29
étude dP
29
PERTES DE CHARGE
30
dP(U) billes
30
 Pertes de charge du mélange eau-billes
D50
D25
31
dP(U) ice
Pertes de charge du coulis de glace
31
D50
D25
1000
10000
900
U0,687m/s
800
U0,5m/s
700
U0,15m/s
600
Perte de charge (Pa/m)
Perte de charge (Pa/m)
1000
500
U0,04m/s
U2.6m/s
400
U2m/s
300
U1.5m/s
200
U1m/s
100
U0.5m/s
100
0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
titre de glace
titre de glace
32
Compar billes-ice
Comparaison des pertes de charge billes-glace
32
D50
D25
33
Cor. semi-empirique
Corrélations semi-empiriques
33
F U²/D.g.(1-?s/?l)
? Utilisation du nombre adimensionnel
36
160
34
140
31
120
21
100
13
(f-f
)/f
.
11
80
l
l

lit fixe
en
8
lit mobile
60
6
40
20
hétérogène
0
15
0,1
1,0
10,0
100,0
nombre F
a, b, c et d constantes empiriques
34
correl billes
34
Application à lécoulement EAU-BILLES
35
Correl ice
35
Application au coulis de glace
Incertitude moyenne sur le coefficient de perte
de charge 11.
36
SINGULARITES
36

• Coudes
• Rétrécissements
• Elargissements

37
Coude brusque
37
Sortie Écoulement désorganisé
 

K
Entrée Ecoulement stratifié
38
Rétrécissement
38
Evolution du coefficient de perte de charge
singulière en fonction du nombre de Reynolds
basé sur la viscosité de leau pour un
rétrécissement

1.2
1.2
théorie
90
180
mono
théorie
1
1
14
mono
20
14
0.8
0.8
20
30
K
K
0.6
30
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
Re
Re
39
Elargissement
39
Écoulement stratifié
Écoulement homogène
30
K
40
Ecoul verticaux
ECOULEMENT VERTICAUX
40
Ecoulement vertical Descendant eau 15 de
billes
Ecoulement descendant
Ecoulement ascendant
41
CONCLUSION

• Conception et réalisation des 2 bancs dessais
• Base de données (perte de charge,
  cartographie,)
• Analyse de la structure des écoulements
  diphasiques
• ( vitesses, fraction, titre, forces,
  contraintes, )
• Corrélations

Etude hydrodynamique de fluides diphasiques
17 décembre 2002
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PERSPECTIVES

• Optimiser la corrélation dans le cas du coulis
  de glace
• Tester les différentes singularités dans le cas
  du coulis de glace
• Extension de létude à dautres types de coulis
  de glace
• Vitesse de glissement liquide-glace (application
  aux échangeurs)
• Influence de la taille et la forme des
  particules solides

Etude hydrodynamique de fluides diphasiques
17 décembre 2002