Étude des transferts de chaleur dans un film ruisselant à instabilités de surface par des méthodes de fluorescence induite par laser

Study of heat transfer inside of a wavy falling film by laser induced fluorescence techniques

• Auteur / Autrice : Romain Collignon
• Direction : Fabrice Lemoine, Guillaume Castanet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/11/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Stutz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Lemoine, Guillaume Castanet, Christos Markides, Serge Simoëns, Rosaria Vetrano, Ophélie Caballina, Sophie Mergui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christos Markides, Serge Simoëns

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence induite par laser

Instabilités hydrodynamiques

Refroidissement par pulvérisation

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Films ruisselants

Transferts de chaleur

LIF

Falling films

Heat transfer

LIF

Résumé

Les films liquide minces à instabilités de surface sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles comme promoteurs des transferts de chaleur et de masse, dans les échangeurs à plaques ou dans les colonnes de refroidissement de centrales nucléaires par exemple. Cependant, les mécanismes de l’intensification des transferts liés aux instabilités sont encore mal compris et les modèles ne permettent pas de rendre compte de l’ensemble des phénomènes physiques et de leurs couplages. Le but de ces travaux est d’étudier expérimentalement l’intensification des transferts de chaleur entre une paroi chauffée plane inclinée et le film liquide lorsqu’il est parcouru de vagues 2D à sa surface. Pour cela un dispositif expérimental a été développé, permettant d’imposer des perturbations à un film d’eau s’écoulant sur une feuille mince de titane, chauffée par effet Joule. Deux techniques de mesure non-intrusives, basées sur la technique de fluorescence induite par laser (LIF) à deux colorants et deux couleurs (2c2d-LIF) ont été effectuées pour caractériser les transferts de chaleurs. Les évolutions temporelles de l’épaisseur et de la température moyennes locales du film ont été mesurées en un point à l’aide d’une mesure par LIF ponctuelle. Un rayonnement laser continu, de longueur d’onde 532 nm, est utilisé afin d’exciter la fluorescence du liquide ensemencé par un couple de traceurs fluorescents. L’intensité de la fluorescence est détectée sur deux bandes spectrales différentes : le rapport des deux intensités permet de déterminer la température moyenne du volume du film sondé, alors que la mesure d’intensité permet d’obtenir l’épaisseur du film. L’utilisation d’un laser impulsionnel permet de figer la dynamique du film. Ainsi, l’utilisation simultanée de deux caméras CCD permet d’appliquer la technique 2c2d-LIF afin d’obtenir une image du champ de température instantané à l’intérieur du liquide, au passage des vagues. L’utilisation d’un rapport d’intensité de fluorescence sur deux bandes spectrales permet de s’affranchir de paramètres mal maîtrisés, liés à l’intensité de fluorescence comme la variation de l’intensité du laser dans le film, induite par la déformation de la surface libre du film. Un algorithme de reconstruction permet de disposer de l’évolution spatio-temporelle du champ de température sur la période relative à une vague. L’association de ces techniques avec la mesure de température de paroi par des thermocouples permet de corréler la présence de vagues de surface à l’intensification des transferts de chaleur. Les résultats obtenus permettent de mettre en évidence l’influence de mélanges convectifs induits par les vagues de surface sur les transferts de chaleur, ceci en fonction de paramètre tels que la fréquence des vagues et le débit volumique du liquide.

Thin wavy liquid films are used in many industrial applications as heat and mass transfer promoters, for example they are used in plate heat exchanger or in cooling columns of nuclear power plants. However, the mechanisms of transfer intensification related to the instabilities are still poorly understood and models do not allow to account for all physical phenomena and their coupling. The aim of this work is to study experimentally the intensification of heat transfers between a heated flat inclined wall and the liquid film, when it is traversed by 2D waves on its surface. For this purpose, an experiment has been developed, allowing to impose perturbations on a water film flowing on a thin titanium sheet, heated by Joule effect. Two non-intrusive measurement techniques, based on the laser-induced fluorescence (LIF) technique with two dyes and two colors (2c2d-LIF) were performed to characterize heat transfer. The temporal evolutions of the local average temperature and thickness of the film were measured at one point using a point LIF measurement. A continuous laser radiation, with a wavelength of 532 nm, is used to excite the fluorescence of the seeded liquid by a couple of fluorescent tracers. The intensity of the fluorescence is detected on two different spectral bands: the ratio of the two intensities makes it possible to determine the average temperature of the volume of the probed film, while the intensity measurement makes it possible to obtain the thickness of the film. The use of a pulsed laser allows to freeze the dynamics of the film. Thus, the simultaneous use of two CCD cameras allows to apply the 2c2d-LIF technique in order to obtain an image of the instantaneous temperature field inside the wavy liquid film. The use of a fluorescence intensity ratio on two spectral bands allows to get rid of poorly controlled parameters related to the fluorescence intensity such as the variation of the laser intensity in the film, induced by the deformation of the free surface of the film. A reconstruction algorithm provides the spatio-temporal evolution of the temperature field over the period relative to a wave. The association of these techniques with the measurement of the wall temperature by thermocouples allows to correlate the presence of surface waves to the intensification of heat transfers. The results obtained allow to highlight the influence of convective mixtures induced by surface waves on heat transfers, as a function of parameters such as the frequency of waves and the volume flow rate of the liquid.