Caract?risation exp?rimentale et num?rique du comportement rh?ologique d'un fluide complexe : application ? une mousse en ?coulement dans un canal horizontal droit avec et sans singularit?s

par Rogelio Chovet

Thèse de doctorat en M?canique

Sous la direction de Fethi Aloui.


  • Résumé

    Ce travail porte sur l??tude exp?rimentale et num?rique de l??coulement des mousses humides dans un canal horizontal droit de section carr?e avec ou sans singularit?s. Il est consacr? tout particuli?rement ? d?terminer les param?tres pertinents de l??coulement dont la chute de pression longitudinale, les champs de vitesse de l??coulement de mousse en proche parois, les ?paisseurs de films liquides minces et ?pais en paroi et l??volution de la contrainte pari?tale pour une mousse humide dont la fraction gazeuse varie de 55 ? 85% et la vitesse d?bitante de la mousse est 2, 4 puis 6 cm/s. Une fois ces param?tres d?termin?s en conduite horizontale droite, nous avons ensuite effectu? des mesures sur diff?rentes g?om?tries repr?sentant un ?largissement brusque, une chicane verticale et ?coulement de mousse autour d?un cylindre, dont le but est d??tudier la r?organisation de l??coulement en vue de d?terminer le comportement rh?ologique des mousses en ?coulement ? l?aval et ? l?amont des singularit?s. Finalement, une ?tude de simulation num?rique (CFD) en utilisant les lois de comportement de type Bingham, pour fluides non newtoniens, a ?t? effectu?e afin de tester sa capacit? de repr?senter des ?coulements type mousse humide dans une conduite horizontale avec ou sans singularit?s. Nous avons v?rifi? tout d?abord l??volution longitudinale de la pression statique qui est lin?aire ? l?amont comme ? l?aval loin des zones influenc?es par les singularit?s. La chute de pression singuli?re reste ? peu pr?s constante pour une vitesse d?bitante donn?e de la mousse. A? partir de la technique de V?locim?trie par Image de Particule (PIV), nous avons d?termin? les composantes de vitesse au voisinage imm?diat des singularit?s. Ces mesures nous ont permis de mettre en ?vidence l?existence de diff?rents r?gimes d??coulement, et de d?terminer la r?organisation et le comportement rh?ologique de l??coulement de mousse autour des g?om?tries ?tudi?es. L?analyse des mesures d??paisseur de films liquides, obtenues par la m?thode conductim?trique, indique que la paroi reste mouill?e par un film liquide suffisamment ?pais pour qu?on puisse appliquer la m?thode ?lectrochimique. Les signaux polarographiques obtenus avec la mousse pr?sentent alors de fortes fluctuations. La comparaison de celles-ci avec les contraintes pari?tales d?duites ? partir des mesures de la chute de pression montre bien une bonne concordance. L??tude num?rique (CFD), effectu?e pour une fraction volumique de gaz ?gale ? 70% et qui s??coule avec une vitesse d?bitante de 2 cm/s, montre que le mod?le rh?ologique de Bingham pourrait ?tre bien adapt? ? ce genre de mousse humide ?voluant en ?coulement en bloc.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical characterization of the rheological behavior of a complex fluid : application to a wet foam flow through a horizontal straight duct with and without flow disruption devices (FDD)


  • Résumé

    This work is an experimental and numerical study of aqueous foam flow inside a horizontal square duct, with and without flow disruption devices (fdd). It is especially devoted to determine the pertinent parameters of the flow: longitudinal pressure losses, velocity fields of foam flow near the walls, liquid film thickness (thick and thin), and the wall shear stress evolution, for an aqueous foam with a void fraction range between 55 and 85%, for a mean foam flow velocity of 2, 4 and 6 cm/s. Once they were determined, inside the horizontal channel, we carried out measurements over different geometries: half-sudden expansion, vertical fence and foam flow around a cylinder. The goal was to study the foam flow reorganization to well understand the rheological behavior of aqueous foam flow in the vicinities of different fdd. Finally, a numerical simulation (CFD), using the Bingham behavior model of non-Newtonian fluid, was undertaken to test its capacity to represent the aqueous foam flow inside the horizontal duct with flow disruption devices. First of all, we verified the static longitudinal pressure evolution, which varies linearly upstream and downstream far from the fdd. The singular pressure loss remains constant for a given mean foam velocity and a foam quality (void fraction). From the Particle Imaging Velocimetry (PIV) technique (2D), we determined the two velocity components in the immediate vicinities of the disruption devices. They allowed us to put into evidence the different foam flow regimes and to observe the foam flow reorganization and rheological behavior through the studied fdd. The slip-layer thickness analysis, obtained using the conductimetry method, shows that the wall presents a liquid film thick enough to apply an electrochemical technique (polarography). Thus, the polarographic signals, obtained for the foam flow, present important fluctuations. They were compared to the wall shear stress deducted from the measurement of pressure losses, showing a good similarity between them. The numerical study (CFD), carried out for aqueous foam flow with a void fraction of 70% and a mean foam flow velocity of 2 cm/s, shows that the Bingham rheological model can be adapted to this kind of aqueous foam flow which is flowing like a block.


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