Différents types d'écoulements en micro-gravité

Différents types d'écoulements en micro-gravité

 

  En µg on observe les mêmes type d’écoulements quand 1g dans un tube vertical : écoulement à bulle, écoulement poche bouchon et écoulement annulaire. La connaissance des régimes d’écoulement est importante pour le calcul des pertes de charges ainsi que du coefficient de transfert thermique. Les transitions entre les différents écoulements peuvent être caractérisées par des nombres de Weber critiques ou des taux de vide critiques.

  Pour prédire ces différents écoulements aucun modèle n’a été développé spécialement pour la µg. Nous utiliserons donc des modèles développés pour les écoulements en gravité terrestre. En général, on observe que l’influence de la gravité diminue avec l’augmentation du débit massique.

  De nombreuses cartes de configuration ont été établies.

 

Ecoulement à bulles

  On rencontre ce type d’écoulement pour des taux de vide ou des titres vapeur faibles.

  La loi de Blasius fonctionne bien pour 20 000 < ReL < 70 000. En dessous, cette formule sous estime la valeur du coefficient de friction.

  L’absence de vitesse de glissement liée à la gravité permet de modéliser ce type d’écoulement avec un modèle homogène.

  En ébullition nucléée, on n’observe pas de différence entre la 1g et µg. En effet, leur arrachage est contrôlé par l’hydrodynamique locale (turbulence) et non pas par les force de flottabilités.

Différences entre la 1g la µg

- on observe des bulles plus grosses en µg,

- la taille de bulle obtenue par coalescence n’est pas limitée par la gravité (mais plutôt par la turbulence),

- la coalescence est plus forte en µg, les titres vapeurs critiques (transition) sont plus faibles en µg,

- les bulles allants à la même vitesse que le liquide environnant, il n’y a donc pas de sillage et donc pas de turbulence associée (diminution des pertes de charge),

- le taux de vide est plus important, le liquide a donc une section plus faible pour passer, cela augmente les frottements pariétaux (augmentation des pertes de charge).

  La transition vers un écoulement poche bouchon se fait par coalescence des grosses bulles au centre de l’écoulement. Cette transition est progressive, mais présente deux régimes différents selon la valeur du nombre d’Ohnesorge :

$$ \frac {1} {Oh^2} = \frac {\sigma D} {\rho_l \nu_l^2} $$

  Pour une valeur inférieure à 1.5 106 le taux de vide critique vaut 0.45 (0.54 pour le titre vapeur). Au-delà, le taux de vide critique vaut 0.20 (0.24 pour le titre vapeur).

 

Ecoulement poche bouchon

  On rencontre ce type d’écoulement pour des taux de vide ou des titres vapeur moyens.

  Cet écoulement est intermittent composé de bulles de Taylor et de bouchons de liquide contenant de plus petites bulles sphériques se déplaçant à la même vitesse. Pour calculer les vitesses des poches, on utilise un modèle à flux de dérive de Kowe et Harmathy avec une vitesse de glissement nulle.

  Pour ce type d’écoulement, il n’existe pas de modèle pour calculer la friction à la paroi.

Différence entre la 1g la µg

- la perte de charge est plus importante en µg.

  Un modèle pour prédire cette transition consiste à calculer le taux de vide avec en écoulement poche bouchon et à considérer que la transition a lieu quand ce taux de vide est égal à celui obtenu pour un écoulement annulaire. On peut aussi utiliser un nombre de Weber critique. Enfin, il existe aussi un modèle utilisant l’inertie de la vapeur.

  La transition s’organise de la façon suivante : les poches de gaz l’allongent et se réduisent leur diamètre. Ensuite, elles coalescent les une avec les autres. A ce moment, on observe un cœur gazeux en formation et de petites bulles périphériques. Puis le cœur gazeuse grandit et absorbe les petites bulles.

 

Ecoulement annulaire

  Cet écoulement présente un cœur gazeux entouré d’une couronne de liquide en contact avec la paroi. Il est observé pour de fort titre vapeur. L’interface entre le gaz est le liquide présente des oscillations dont la longueur d’onde diminue avec l’augmentation du débit de gazeux.

  La connaissance de l’épaisseur de film est importante pour l’estimation des transferts thermiques. Cette épaisseur du film diminue au fur et à mesure que la vitesse superficielle de la vapeur augmente. Lorsque que la vitesse du gaz est grande, on peut observer l’arrachage de gouttes de liquide qui se retrouvent entrainées dans le cœur gazeux.

  Pour prédire le frottement, on utilise une loi de Blasius basée sur le nombre de Reynolds liquide.

Différence entre la 1g la µg

- le flux de chaleur est plus faible en µg, car la turbulence liée à la gravité est absente.