Données expérimentales

Nous avons précédemment introduit les modèles que nous allons utiliser afin de prévoir les fréquence et rayons de détachement des bulles ainsi que la densité de site de nucléations. Il faut à présent s'attarder sur l'extraction de données expérimentales ce qui fait l'objet de cette partie. Il va d'abord s'agir de montrer comment les données vont être extraites à partir de vidéos fournies par Air Liquide puis de les traiter afin d'apporter une conclusion quant à l'évolution des paramètres qui nous intéressent. 

Protocole expérimental

Le dispositif expérimental utilisé par Air Liquide afin de mener leur expérience d'ébullition en microgravité est présenté sur la figure suivante : 

Source de l'image : Air Liquide

Pour des raisons de confidentialité, les dimensions du dispositif ne seront pas précisées. 

Description du dispositif : 
Le réservoir contient de l'oxygène liquide sous-refroidi. Le contrôle de la gravité est fait via un champs magnétique. Les parois du réservoir sont adiabatiques, une sortie contrôlée par une valve permet de maintenir une pression constante dans l'enceinte. Un flux de chaleur est imposé via un élément chauffant dans la paroi inférieure. Pour chaque vidéo et chaque mesure, un flux est imposé puis la température de la paroi inférieur est mesurée une fois le régime établi.

Vidéos d'ébullition en microgravité

  1. Vidéos d'ébullition

     Pour des raisons de confidentialité, les valeurs numériques des gravités correspondantes aux vidéos ne sont pas précisées ici.  Voici donc deux extraits de vidéos à flux de chaleur imposés identiques mais pour deux gravités différentes.

(source des vidéos : Air Liquide)

  1. Extraction des données

    De ces vidéos il faut extraire des rayons de bulles et des fréquences de détachement. La méthode utilisée est décrite ci-dessous.

  • Rayon de détachement
    Pour extraire des rayons de détachement, on isole une image à un instant donné et le plus grand nombre de rayons de bulles possible est mesuré sur celle-ci. Cette opération est répétée sur un grand nombre d'images afin de pouvoir construire un histogramme donnant la densité de population de bulle. Il faudra donc construire des classes de taille de bulles, ce qui sera l'objet de la prochaine partie.
    Montrons un exemple de mesure d'un diamètre de bulle. La figure suivante présente un image extraite d'une des vidéos. Un gros plan de la zone de détachement (cadre bleu) est utilisé :


    (source de l'image : Air Liquide)
    La figure suivante montre le zoom sur ce gros plan : 

    (source de l'image : Air Liquide)

    Sur cette dernière figure est tracée en rouge la dimension de la paroi sur laquelle les bulles se forment dont la taille est connue, ce qui permet d'avoir une référence de taille en terme de pixels. En bleu sont tracés deux exemples de mesure de diamètre de bulle. En mesurant un diamètre horizontal et un diamètre vertical puis en en prenant la moyenne, un diamètre en pixels est obtenu, que l'on peut convertir en millimètre grâce à la référence de la taille de la paroi connue.
    Cette opération est effectuée sur le plus grand nombre de bulles possibles et sur le plus grand nombres d'images possible afin d'obtenir un histogramme réaliste. 
     

  • Fréquence de détachement
    Cette donnée est plus délicate à extraire car il faut se placer sur un site de nucléation précis et déterminer le temps passé entre la formation de deux bulles successives. Cette opération doit être faite pour un maximum de cycles et de sites de nucléation. Un exemple de mesure est présenté ci-dessous. La série d'images suivantes montre un cycle complet de formation et détachement d'une bulle sur un site de nucléation :

    Cette série d'images est focalisée sur un site de nucléation pour lequel on voit apparaître une bulle. On  compte ainsi 9 images pour voir un cycle de naissance de détachement de la bulle jusqu'à apparition d'une nouvelle. Connaissant le nombre d'images par seconde enregistrées par la caméra, on déduit aisément la fréquence de détachement. Cette opération doit être répétée le plus de fois possibles et pour un nombre de site de nucléation le plus grand possible ainsi que pour toutes les gravités. 

Traitement des données

1. Gravité constante, variation du flux

Un premier set de vidéo fournit par Air Liquide présente les régimes d'ébullition pour différents flux de chaleur imposés à la paroi, la gravité restant constante.

De ce vidéos ont étés extraits des rayons de bulle au détachement, ce qui a permi d'obtenir les histogrammes suivants :

    

2. Flux constant, variation de la gravité

Un deuxième set de vidéo fournit par Air Liquide présente les régimes d'ébullition pour différentes valeurs de gravité, le flux de chaleur imposé à la paroi restant constant.

De la même façon des histogrammes ont été obtenus pour chacune des valeurs de gravité.

 

 

3. Affinement des histogrammes

Les histogrammes obtenus sont parfois très étalés. Ceci est dû au fait que certaines bulles coalescent après s'être détachées de la paroi et le diamètre mesuré correspond donc à plusieurs diamètres de détachement.

Un raffinement des histogrammes est fait, afin de ne pas prendre en compte ces diamètres trop importants. Un exemple d'affinage est présenté ci-dessous, pour la gravité G2.

Finalement le rayon moyen correspondant à l'histogramme affiné est utilisé comme valeur de rayon de détachement pour être comparé aux modèles choisis.