Étude expérimentale et numérique du mélange et de la dispersion axiale dans une colonne à effet Taylor-Couette

Experimental and numerical study of mixing and axial dispersion in a Taylor-Couette device

• Auteur / Autrice : Marouan Nemri
• Direction : Éric Climent, Sophie Charton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 26/06/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse / IMFT
• Jury : Président / Présidente : Jack Legrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Haut, Laurent Falk

Mots clés

Mots clés libres

Écoulement de Taylor-Couette

Mélange intra et inter-vortex

Mesures PIV-PLIF

Simulations numériques directes

Dispersion axiale

Taylor-Couette flow

Intravortex and intervortex mixing

Piv-plif

Direct numerical simulation

Axial dispersion

Résumé

Les contacteurs centrifuges, basés sur les écoulements de Taylor-Couette, sont bien adaptés pour la mise en œuvre de réactions chimiques ou biochimiques, y compris en milieu polyphasique. Ils possèdent particulièrement plusieurs propriétés favorables à la mise en œuvre des opérations d'extraction liquide-liquide. Un dispositif expérimental a été conçu avec cette idée en tête. Il est constitué de deux cylindres concentriques avec le cylindre intérieur entraîné en rotation et l'externe fixe. L’écoulement de Taylor-Couette se produit dans l’espace annulaire entre eux. Il présente la particularité d’évoluer vers la turbulence par apparition successive d’instabilités. La dispersion axiale ainsi que le mélange, sont extrêmement sensibles à ces structures d’écoulement, ce qui rend difficile la modélisation du couplage entre l’hydrodynamique et le transfert de matière. Ce point particulier a été étudié expérimentalement et numériquement. L’écoulement et le mélange ont été caractérisés par des mesures simultanées de PIV (Vélocimétrie par Imagerie de Particules) et PLIF (Fluorescence Induite par Laser). Les champs de concentration PLIF ont permis d’identifier les différents mécanismes de transport intra et inter-vortex. Pour les régimes ondulatoires (WVF et MWVF), le mélange intra-vortex est contrôlé par l’advection chaotique, directement lié aux caractéristiques du champ de vitesse, qui confère aux vortex une capacité plus importante à convecter et à étirer les filets de fluide. En revanche, l’apparition des vagues brisent les frontières qui séparent les vortex ce qui favorise le transport inter-vortex. La combinaison de ces deux mécanismes contrôle principalement la dispersion axiale. Nous avons également mis en évidence le comportement non monotone des propriétés de mélange en fonction de l’histoire de l’écoulement. Notamment l’état d’onde (la longueur d’onde axiale et l’amplitude de la vague). Nous avons calculé le coefficient de dispersion axiale Dx à l’aide des mesures de distribution de temps de séjour (DTS) et de suivi Lagrangien de particules (DNS). Les deux résultats numériques et expérimentaux ont confirmé l’effet significatif des structures de l’écoulement et de l’histoire sur la dispersion axiale.

Taylor-Couette flows between two concentric cylinders have great potential applications in chemical engineering. They are particularly convenient for two-phase small scale devices enabling solvent extraction operations. An experimental device was designed with this idea in mind. It consists of two concentric cylinders with the inner one rotating and the outer one fixed. Taylor-Couette flows take place in the annular gap between them, and are known to evolve towards turbulence through a sequence of successive instabilities. Macroscopic quantities, such as axial dispersion and mixing index, are extremely sensitive to these flow structures, which may lead to flawed modelling of the coupling between hydrodynamics and mass transfer. This particular point has been studied both experimentally and numerically. The flow and mixing have been characterized by means of flow visualization and simultaneous PIV (Particle Imaging Velocimetry) and PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence) measurements. PLIF visualizations showed clear evidences of different transport mechanisms including « intravortex mixing » and « inter-vortex mixing ». Under WVF and MWVF regimes, intra-vortex mixing is controlled by chaotic advection, due to the 3D nature of the flow, while inter-vortex transport occurs due to the presence of waves between neighbouring vortices. The combination of these two mechanisms results in enhanced axial dispersion. We showed that hysteresis may occur between consecutive regimes depending on flow history and this may have a significant effect on mixing for a given Reynolds number. The axial dispersion coefficient Dx evolution along the successive flow states was investigated thanks to dye Residence Time Distribution measurements (RTD) and particle tracking (DNS). Both experimental and numerical results have confirmed the significant effect of the flow structure and history on axial dispersion. Our study confirmed that the commonly used 1-parameter chemical engineering models (e.g. the « well-mixed stirred tanks in serie » model) are not valid for Taylor-Couette reactors modelling : two parameters are at least required for an efficient description of mixing in Taylor-Couette flows.