Analyse physique et expérimentale du comportement dynamique et interfacial d'une bulle de Taylor dans un tube vertical oscillant

Cette étude porte sur la dynamique instationnaire d'une bulle de Taylor dans un tube vertical en repère oscillant. Les résultats expérimentaux sont obtenus pour des grands nombres de Reynolds et des nombres de Bond variant de 10 à 50 où les effets de la tension superficielle peuvent être considérés. Des corrélations permettant de calculer les vitesses moyenne et fluctuante sont proposées. Cette étude vise également à quantifier la déformation d'interface subie par la bulle. En effet, des résultats antérieurs ont montré qu'à partir d'une certaine accélération relative, la dynamique est affectée par la déformation de l'interface (courbure modifiée, onde de surface)

Contrôle de l'instabilité interfaciale dans une cellule de Hele-Shaw annulaire par une modulation de la vitesse de rotation

Nous nous intéressons à l'étude de la stabilité linéaire de l'interface séparant deux fluides Newtoniens immiscibles et incompressibles de viscosités et de masses volumiques différentes. Les deux fluides sont confinés dans une cellule de Hele-Shaw annulaire laquelle effectue un mouvement de rotation périodique. En négligeant les forces de Coriolis et en utilisant la théorie de Floquet, les équations du problème linéaire sont réduites à une équation de Mathieu sans frottement qui possède des solutions périodiques et bornées

Instantaneous heat transfers at the impact of a droplet onto a hot surface in the film boiling regime

[EN] Heat and mass transfers at the impact of a droplet onto a hot solid surface are investigated experimentally. Millimetersized water droplets impinges onto a perfectly flat sapphire surface heated at 600°C. The temperature of the liquid inside the droplet is measured using the two-color laser-induced fluorescence (2cLIF) technique. Water is seeded with a temperature-sensitive fluorescent dye, while a nanosecond pulsed laser is used for the excitation of the fluorescence. The ratio of fluorescence signal detected in two appropriate spectral bands allows to determine the liquid temperature. One advantage of this non-intrusive optical technique is that it eliminates adverse effects associated with signal variations caused by droplet shape during its impact. In parallel, the temperature of the solid surface is characterized using infrared thermography. The latter measurements are made possible by the deposition of a nanosize coating of titanium aluminium nitride (TiAlN) on the upper surface of the sapphire window. Thanks to the high frame rate of the IR camera, the time evolution of the heat flux distribution at the solid surface can be reconstructed. A comparison of IR and 2cLIF techniques enable to correlate the heating of the liquid with the cooling of the wall. This reveals that most of the heat removed from the solid surface is devoted to the heating of the liquid, the energy used for liquid vaporization being significantly lower.The authors acknowledge the financial support of the Lorraine region through the CPER ENERBATIN projet.Chaze, W.; Castanet, G.; Caballina, O.; Maillet, D.; Pierson, J.; Lemoine, F. (2017). Instantaneous heat transfers at the impact of a droplet onto a hot surface in the film boiling regime. En Ilass Europe. 28th european conference on Liquid Atomization and Spray Systems. Editorial Universitat Politècnica de València. 282-289. https://doi.org/10.4995/ILASS2017.2017.4636OCS28228

Mesure PLIF résolues dans le temps du champ de température à l'intérieur d'une goutte au cours de l'impact sur une paroi chaude

International audienceL’impact de gouttes sur des parois chaudes est rencontré dans de nombreux procédés, notamment le refroidissement par spray de surfaces solides à haute température. L’amélioration de ces procédés est souvent fastidieuse, en raison de la difficulté qu’il y a à modéliser, même pour une seule goutte, les phénomènes associés à un impact (en lien avec la thermique, l’hydrodynamique, l’ébullition). Dans les sprays, se rajoutent en plus des effets d’interaction entre les gouttes voisines. C’est pourquoi cette étude s’intéresse au cas d’une goutte isolée. Les transferts de chaleurs sont étudiés expérimentalement à l’aide d’une technique d’imagerie de fluorescence induite par laser qui permet de déterminer la température des gouttes. Les gouttes ensemencées par deux colorants fluorescents ayant des spectres d’émission décalés en longueur d’onde, ce qui permet de détecter séparément le signal de fluorescence qui leur est associé au moyen de deux caméras équipées de filtres chromatiques. Le champ de température du liquide est déterminé avec une bonne précision en effectuant le rapport des images obtenues par chaque caméra. Un des avantages décisifs de cette méthode est que ce rapport n’est pas perturbé par la déformation de la goutte au cours de l’impact. Les expériences sont effectuées dans le régime d’ébullition en film dans lequel une fine couche de vapeur se développe rapidement pendant l’impact à l’interface entre la goutte et la paroi solide. Ce film de vapeur empêche le contact direct entre le liquide et la surface solide, ce qui réduit considérablement les transferts de chaleurs. Les résultats montrent comment le champ de température évolue au sein de la goutte quand celle-ci impacte la paroi à différentes vitesses. Deux liquides, l’eau et l’éthanol, sont égale- ment considérés dans cette étude afin de mettre en évidence, l’effet des propriétés du liquide

Direct numerical simulation of the impact of a droplet onto a hot surface above the Leidenfrost temperature

In this paper, we compare numerical simulations and experiments on droplets impinging onto a hot surface at a temperature well above the Leidenfrost point, for different impacting Weber numbers ranging from 7 to 45. We use a novel numerical method for the simulation of two-phase flows with phase change (evaporation and boiling) which accounts for the heterogeneous thermodynamic conditions at the liquid/gas interface. We present the results of experimental and numerical values for the droplet shape, its spreading diameter and its loss of momentum. The numerical simulations determine the time-evolution of the average vapor layer thickness, which is typically from one to two orders of magnitude smaller than the initial droplet diameter. Thermal transfer between the liquid and the gas phases are also investigated both numerically and experimentally. In the numerical results, like in the experiments, the droplet heating increases with the impacting Weber numbers. The fully resolved direct numerical simulations allow for the accurate description of the multi-scale complex problem involving both fluid mechanics and coupled heat and mass transfer

Drop spreading at the impact in the Leidenfrost boiling

International audienceAlthough the Leidenfrost effect has been extensively studied in the past, one challenge for the modeling of this phenomenon remains, namely, how to determine the effect induced by the presence of a vapor film on the frictions exerted on the drop. To address this issue, experiments are carried out on liquids with very different viscosities including water, ethanol, and several mixtures of water and glycerol. The deformation of droplets of a few hundred micrometers, impinging a perfectly smooth solid surface heated above the Leidenfrost temperature, is observed by shadowgraphy using a high-speed camera. Experimental results are compared to a theoretical model which is based on an inviscid asymptotic solution for the flow inside the lamella. This model also considers a lamella thickness which does not depend on the viscosity, the surface tension, and thus on the Reynolds and Weber numbers. This description of the lamella is valid if Weber and Reynolds numbers are high enough. Mass and momentum balances applied to the rim bounding the spreading lamella yield an equation for the rim motion which is then solved numerically. This equation accounts for the momentum transferred to the rim by the liquid coming from the lamella, the capillary forces, and the viscous stress at the separation between the lamella and the rim. The comparison between the model and the experiments suggests that the liquid at the bottom edge of the lamella is dragged by the vapor film given that the vapor velocity in the vapor film is significantly larger than that of the liquid. This process significantly increases the drop spreading for the low viscosity liquids. An analysis of the viscous boundary layer which develops at the bottom edge of the lamella is found to confirm this scenario

Contributions expérimentales sur la dynamique instationnaire de bulles de Taylor

Cette étude porte sur la dynamique instationnaire d'une bulle de Taylor dans un tube vertical en repère oscillant. L'objectif est de réaliser une étude expérimentale quantitative plus détaillée de cet écoulement instationnaire, très peu abordé dans la littérature. Les résultats expérimentaux sont obtenus pour des grands nombres de Reynolds pour comprendre les effets d'inertie. Deux configurations différentes sont étudiées : 1) tubes avec deux diamètres internes différents (9,8 mm et 20 mm) remplis d'eau, 2) le tube de diamètre D=9,8 mm rempli de quatre fluides peu visqueux. Le nombre de Bond Bo, basé sur la vitesse ascendante en cas stagnant, varie alors entre 13 et 57, où les effets de la tension superficielle peuvent être pris en compte. La bulle est suivie à l'aide d'une caméra rapide. les vitesses moyenne et fluctuante et le déphasage avec le plateau oscillant sont obtenus par traitement d'images et traitement numérique des données. Les résultats principaux montrent que pour les faibles accélérations la vitesse moyenne diminue et la vitesse fluctuante augmente lorsque l'accélération relative augmente. Au delà d'une accélération critique, la vitesse moyenne augmente et l'augmentation de la vitesse fluctuante semble ralentir. Ce changement de comportement semble être lié à la déformation de l'interface (courbure modifiée, ondes de surface) qui devient significative aux accélérations élevées. De plus, les comparaisons avec les résultats numériques obtenus en négligeant les effets capillaires sont effectuées. Des corrélations permettant de calculer les vitesses moyenne et fluctuante sont proposées. L'évolution temporelle de rayon de courbure au voisinage du nez de la poche est également étudiée pour les différentes accélérations et les résultats sont comparés avec le cas stagnant. Pour les accélérations élevées, la formation et la propagation des ondes oscillantes qui affectent la dynamique de l'écoulement sont quantifiéesThe present work deals with the motion of a Taylor bubble rising through vertical oscillating pipes. The aim is to perform a more detailed and experimental quantitative study of this unsteady flow, still seldom addressed in the literature. The investigation is restricted to high Reynolds numbers to understand inertia effects. Experimental results are provided for two different configurations : 1) pipes with two different inner diameters (9.8 mm and 20 mm) filled with water, 2) the thinner pipe (D=9.8 mm) filled with four low viscous fluids. So the Bond number Bo, based on the steady rise velocity varies from 13 to 57, where the effects of surface tension can be considered. The bubble trajectory is tracked by using a high-speed video camera. The average terminal and fluctuating velocity, as well as the phase shift with the oscillating plate are obtained by using image processing. The main results show that for weak acceleration, the mean velocity decreases with the relative acceleration as the fluctuating velocity increases in proportion to this acceleration. Beyond a critical relative acceleration, the average velocity increases and the fluctuating velocity increase seems to slow down. This behavior change seems to be related to the interface deformation (modified curvature, surface waves) which becomes significant in high accelerations. Additionally, comparisons are made with the numerical results obtained by neglecting the capillary effects. Correlations allowing the prediction of mean and fluctuating velocities depending on the Bond number and relative acceleration are proposed and compared with our experimental results. The time evolution of the radii of curvature in the vicinity of the bubble nose is also studied for different relative accelerations and the results are compared with the stagnant case. In high accelerations, the formation and propagation of surface waves which may influence the bubble dynamics are quantifiedNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Simultaneous temperature and thickness measurements of falling liquid films by laser-induced fluorescence

International audienc

Mesures LIF résolues dans le temps de la température et de l'épaisseur d'un film liquide à instabilités de surface ruisselant sur une paroi inclinée chauffée

International audienceAn optical measurement technique has been developped to characterize the heat transfer in a falling liquid film with surface instabilities, which is flowing down an inclined plane. The waves traveling at the free surface are generated harmonically. The novel technique based on Laser Induced Fluorescence enables to provide simultaneously a measurement of the thickness and the temperature of the liquid film. The experimental results reveal the temporal evolution of the average temperature in the thickness of the film, when the film is travelled by waves of controlled frequency. MOTS-CLÉS. Transferts de chaleur, Fluorescence induite par laser, Film ruisselant mince, Instabilités de surface.Une technique de mesure optique a été développée afin de caractériser les transferts de chaleur dans un film ruisselant mince tombant sur un plan incliné. Le film est perturbé par des vagues excitées harmoniquement et se propageant à sa surface libre. Une technique de Fluorescence Induite par Laser est spécialement développée afin de pouvoir mesurer de façon simultanée l'épaisseur et la température dans les vagues au cours du temps. Les mesures révèlent ainsi l'évolution de la température moyenne dans l'épaisseur du film au passage des vagues dont la fréquence peut être contrôlé

Mesures LIF résolues dans le temps du champ de température à l'intérieur d'une goutte au cours de l'impact sur une paroi chaude

International audienc