A numerical study of the longitudinal thermoconvective rolls in a mixed convection flow in a horizontal channel with a free surface

This paper presents a numerical study of three-dimensional laminar mixed convection within a liquid flowing on a horizontal channel heated uniformly from below. The upper surface is free and assumed to be flat. The coupled Navier-Stokes and energy equations are solved numerically by the finite volume method taking into account the thermocapillary effects (Marangoni effect). When the strength of the buoyancy, thermocapillary effects and forced convective currents are comparable $(Ri\backsimeq O(1)$ and $Bd=Ra/Ma \backsimeq O(1))$, the results show that the development of instabilities in the form of steady longitudinal convective rolls is similar to those encountered in the Poiseuille-Rayleigh-B\'enard flow. The number and spatial distribution of these rolls along the channel depend on the flow conditions. The objective of this work is to study the influence of parameters, such as the Reynolds, Rayleigh and Biot numbers, on the flow patterns and heat transfer characteristics. The effects of variations in the surface tension with temperature gradients (Marangoni effect) are also considered

Efficacité du mélange chaotique pour des fluides non newtoniens thermodépendants chauffés ou refroidis

Ce travail concerne l'étude numérique du mélange et du transfert thermique au sein de fluides très visqueux au comportement rhéologique non newtonien (rhéofluidifiants ou rhéoépaississants) soumis à un régime d'advection chaotique. Les fluides considérés sont modélisés par des lois de puissance en prenant en compte la thermodépendance. Le mélangeur est constitué de deux barreaux cylindriques maintenus verticalement dans une cuve. Nous montrons ici l'impact de la variation de la viscosité avec la température et le cisaillement sur la qualité du mélange en réchauffement et en refroidissement

Etude de la cinétique de formation d'une émulsion très concentrée huile dans eau en écoulement continu

Nous avons étudié expérimentalement les différentes étapes conduisant à la formation d'une émulsion très concentrée huile dans eau (% huile > 85) en écoulement continu. Le contrôle du mécanisme de rupture des gouttes est assuré par deux barreaux cylindriques insérés dans la conduite. Un fort rapport de viscosité existe entre les phases huile et eau. La mesure du couple résistant in-situ lors de l'émulsification et l'étude des tailles moyennes des gouttes et de leur distribution le long de la conduite ont permis de caractériser les temps caractéristiques des différentes étapes du procédé

Convection de Bénard-Marangoni induite par un flux pariétal non-uniforme en récipient cylindrique

Ce travail numérique concerne l'étude de la convection de Bénard-Marangoni dans un récipient cylindrique. Un flux de chaleur constant, localisé au centre du récipient est imposé sur la face inférieure du substrat supportant le fluide, ce qui créé un gradient thermique au sein du fluide et au niveau de la surface libre où les forces capillaires agissent. Des formes originales de cellules sont observées qui dépendent des conditions géométriques, des nombres adimensionnels de Prandtl, Rayleigh et Marangoni ainsi que du rapport des conductivités substrat solide et fluide

Stabilité linéaire de l'écoulement de convection mixte et thermocapillaire d'un film liquide sur un plan horizontal chauffé uniformément par le bas

Nous présentons une analyse de stabilité linéaire d'un écoulement laminaire de convection mixte d'un film liquide sur un plan horizontal chauffé uniformément par le bas. La variation de la tension de surface avec la température (effet Marangoni) est prise en compte. La méthode spectrale de collocation basée sur les polynômes de Chebyshev a été employée pour résoudre le système aux valeurs propres du problème. Dans cette configuration plusieurs types de structures thermoconvectives sont susceptibles d’apparaître [1,2]. Nous nous sommes intéressés à deux modes d'instabilités thermoconvectives qui donnent naissance à des rouleaux longitudinaux ou à des rouleaux transversaux. Les rouleaux transversaux apparaissent pour des écoulements à faible nombre de Reynolds. Cette analyse de stabilité a permis d'obtenir les diagrammes de stabilité caractérisant les seuils de perte de stabilité de l'écoulement vis à vis de ces deux modes d'instabilité et l'étude de leur variation avec les paramètres de contrôle de l'écoulement. La forme des structures spatiales de l'écoulement est présentée. Par comparaison avec l'écoulement de Poiseuille-Rayleigh-Bénard, très étudié dans la littérature, la présence de la surface supérieure libre rend l'écoulement toujours plus instable vis-à-vis des rouleaux longitudinaux et plus ou moins stable vis-à-vis des rouleaux transversaux selon les nombres de Biot, de Reynolds et de Prandtl considérés. Les résultats montrent aussi que les forces thermogravitaires et les forces thermocapillaires se renforcent mutuellement pour rendre le système plus instable. [1] Bammou L., Instabilité thermoconvective de l'écoulement de Poiseuille-Rayleigh-Bénard-Marangoni dans un canal ouvert à surface libre. Thèse de doctorat, Université de Pau et des Pays de l'Adours, 13 décembre 2012. [2] Bammou L., El Omari K., Le Guer Y., Blancher S., Benhamou B., Mediouni T., Numerical study of longitudinal thermoconvectives rolls in mixed convection flow in a horizontal channel with fre­e surface, accepted in Int. J. of Heat and Fluid Flow, 2013

Hydrodynamique d'une nappe liquide formée à la sortie d'un convergent

Nous nous intéressons à l'hydrodynamique d'une nappe liquide verticale qui se forme à la sortie d'un convergent de section rectangulaire. L'application visée concerne le procédé d'encollage de feuilles de papier ou de bois employées pour la fabrication de panneaux composites. Afin d'obtenir un encollage régulier et uniforme, il est en effet nécessaire de déterminer les propriétés de stabilité de l'écoulement en rideau utilisé. Pour cela, nous présentons les résultats d'une analyse bibliographique qui permet d'identifier les paramètres pertinents qui contrôlent les différents régimes d'écoulement. Les premières observations expérimentales obtenues sur un banc d'essai spécifiquement développé confirment les éléments descriptifs obtenus à partir d'un modèle de forme de la nappe libre (non guidée) en écoulement inertiel-gravitaire

Jet confiné, dispersions fluide-particules et mélange chaotique

Les travaux présentés concernent l'étude d'écoulements hydrodynamiques en situations complexes : écoulements instables, en régime d'advection chaotique ou encore multiphasique. Les phénomènes de transport et de transfert associés à ces écoulements sont étudiés (couplages instabilité-changement de phase, diffusif-réactif). Les applications sont nombreuses et se trouvent dans le domaine du génie des procédés.Les méthodes d'investigations sont essentiellement expérimentales, quelques développements numériques sont aussi présentés.Le premier thème a trait à l'étude du comportement oscillatoire d'un jet fluide, plan, qui débouche dans une cavité contenant un obstacle. L'instabilité globale de l'écoulement conduit à son oscillation auto-entretenue. La dynamique du jet présente alors une fréquence caractéristique bien précise, dépendant principalement de paramètres géométriques, qui a permis d'envisager son utilisation comme débitmètre.Le second thème abordé concerne l'étude de dispersions de particules flottantes en écoulement. Les deux projets présentés s'inscrivent dans le cadre plus général de l'étude de nouveaux fluides frigoporteurs diphasiques développés au LaTEP (les coulis de glace). Le premier projet se rapporte à une configuration académique : l'ascension d'une sphère de glace en colonne liquide. Les couplages dynamique (instabilités de sillage, trajectoires) et thermique (changement de phase) sont complexes, le régime d'écoulement évoluant à chaque instant. Le second projet de ce thème se rapporte à l'hydrodynamique d'une dispersion solide-liquide modèle en conduite cylindrique horizontale. Différents régimes d'écoulement non homogène ont été mis en évidence à partir de l'évolution spatio-temporelle du champ de vitesse, en fonction de la fraction solide de la phase dispersée. Le troisième thème concerne l'étude du mélange obtenu en régime d'advection chaotique pour un écoulement laminaire. Plusieurs volets ont été développés autour de l'écoulement de Dean alterné tridimensionnel existant au sein de conduites courbes. Expérimentalement, il a été prouvé, par comparaison à un écoulement se développant dans un serpentin hélicoïdal, que les écoulements chaotiques sont plus efficaces en terme de mélange diffusif et réactif, donc jusqu'à une échelle moléculaire. Numériquement, une méthode originale basée sur la transformation de maillages anisotropes associés aux déplacements de scalaires advectés par l'écoulement a été mise au point. Elle permet l'évaluation, la comparaison et l'optimisation du mélange au sein d'écoulements 2D périodiques en temps ou 3D spatialement périodiques. Les efficacités d'écoulements régulier, partiellement chaotique et globalement chaotique sont analysées à partir de différents critères pour quantifier le mélange diffusif et réactif.Aujourd'hui, de nouvelles applications du mélange chaotique sont considérées. Plus particulièrement, la production d'émulsions pétrolières à partir d'huiles lourdes très visqueuses est étudiée

Procédés basse énergie pour la production d émulsions très concentrées huile dans eau (caractérisation, intensification et applications.)

Les émulsions très concentrées sont présentes dans de nombreux domaines tels que l agroalimentaire ; la cosmétique ; la pétrochimie etc. L enjeu de cette étude de thèse est de caractériser un nouveau type de mélangeur basse énergie appelé mélangeur à deux barreaux (MDB) permettant d obtenir en une seule étape une émulsion très concentrée d huile (91%) visqueuse dans de l eau. Ce travail a permis de définir les grandes étapes et la cinétique de formation de ce type d émulsion au sein de ce mélangeur deux barreaux en cuve (MDB-Cuv.). Il a également été montré que ce mélangeur permet de contrôler la taille des gouttes et donc les propriétés de l émulsion formée tout en étant très compétitif d un point de vue énergétique. Enfin, ce procédé en cuve a pu être adapté en continu (MDB-Cont.) tout en conservant ses principales caractéristiques : production contrôlée d émulsion uni-modale à faible coût énergétique et sans échauffement des fluides.High Internal Phase Ratio (HIPR) emulsions are encountered in a wide variety of industrial applications: agrochemicals, petrochemical, cosmetics etc. The aim of this study is to characterize a new low energy mixer called two-rod mixer (TRM). This TRM allows the creation in one step of HIPR emulsion of viscous oil (91%) in water. The different phases of the HIPR emulsification in the batch TRM (B-TRM) have been highlighted, as well as their characteristics times. We show that it is possible to control the droplet size distribution and so the properties of the HIPR made. Furthermore, the energy input during the emulsification is relatively low. Lastly, this batch process has been transposed in a continuous one (C-TRM) that conserves the main characteristics of the batch process: controlled production of uni-modal HIPR emulsion with a low energetic cost and without heating of fluids.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Instabilité thermoconvective d'un écoulement Poiseuille-Rayleigh-Bénard-Marangoni en canal ouvert à surface libre

Plusieurs études tant numériques qu expérimentales font état de la présence d instabilités thermiques dans des films liquides chauffés uniformément par le bas pour des conditions aux limites et d écoulements particuliers. La présence de ces instabilités modifiera les transferts thermiques associés. Le sujet de ce travail de thèse consiste à étudier numériquement les instabilités thermoconvectives d un écoulement laminaire tridimensionnel de convection mixte dans un canal horizontal à surface libre. Les variations de la tension de surface avec la température (effet Marangoni ou effet thermocapillaire) sont prises en compte. Bien que d un intérêt certain pour de nombreuses applications industrielles, cette situation a été très peu étudiée d un point de vue académique dans la configuration considérée ici. Dans cette de configuration plusieurs types de structures thermoconvectives sont susceptibles d apparaître. Lorsque les forces induites par les courants de convection naturelle, forcée et thermocapillaire sont du même ordre de grandeur, les premiers résultats montrent un développement des instabilités sous forme de rouleaux convectifs longitudinaux stationnaires semblables à ceux rencontrés pour des écoulements de type Poiseuille-Rayleigh-Bénard. A notre connaissance, c est la première fois que l écoulement de convection de type Poiseuille-Rayleigh-Bénard associé aux effets Marangoni est étudié. Le nombre et la distribution spatiale des rouleaux convectifs le long du canal dépendent des conditions de l écoulement. Nous proposons une étude numérique pour ces conditions particulières d écoulement pouvant conduire à des instabilités avec une évaluation de leur effet sur les transferts de chaleur. Les équations de Navier-Stokes et de l énergie sont résolues numériquement par la méthode de volumes finis en prenant en compte les effets thermocapillaires. Les résultats présentés concernent l influence des paramètres contrôlant l écoulement (nombres de Reynolds, de Rayleigh, de Biot, de Marangoni et le rapport de forme) sur les motifs de l écoulement et les échanges thermiques. Dans une seconde partie du travail, complémentaire à la première, une analyse de stabilité linéaire de l écoulement dans un canal ouvert à surface libre d extension latérale infinie est réalisée en utilisant la méthode spectrale de type collocation Chebyshev pour résoudre un système aux valeurs propres. Les diagrammes de stabilité déterminant les seuils des paramètres conduisant à l instabilité thermoconvective ont été obtenus et analysés, ainsi que les structures spatiales associées.Several studies both numerical and experimental have reported the presence of thermal instabilities in liquid films uniformly heated from below for specific boundary conditions and flows. The presence of these instabilities modifies the associated heat transfer. The subject of this PhD thesis is to study numerically the instability of three-dimensional laminar mixed convection within a liquid flowing on a horizontal channel heated uniformly from below. The upper surface is free and assumed to be flat. The variations of the surface tension with the temperature (Marangoni effect or thermocapillary effect) are taken into account. Although of great interest for many industrial applications, this problem has received little attention from an academic point of view. In this configuration, several types of thermoconvective structures may appear. When the strength of the buoyancy, thermocapillary effects and forced convective currents are comparable, the results show the development of instabilities in the form of steady longitudinal convective rolls similar to those encountered in the Poiseuille-Rayleigh-Bénard flow. To our knowledge, this is the first time that the Poiseuille-Rayleigh-Bénard flow associated to the Marangoni effects has been investigated. The number and spatial distribution of the convective rolls along the channel depend on the flow conditions. We propose a numerical study on the flow conditions that could lead to thermal instabilities with an evaluation of their effect on the heat transfer. The coupled Navier-Stokes and energy equations are solved numerically by the finite volume method taking into account the thermocapillary effects. The results presented concern the influence of several control parameters (the Reynolds, Rayleigh, Biot and Marangoni numbers and the aspect ratio of the channel) on the flow patterns and heat transfer characteristics. In the second part of this work, complimentary to the first, a linear stability analysis of a horizontal liquid film flowing in an open channel, with infinite lateral extension and uniform heating from below, is carried out. An eigenvalue problem is obtained in the course of this analysis which is solved numerically using the Chebyshev collocation spectral method. The stability diagrams determining the threshold parameters leading to thermoconvective instabilities were obtained and analyzed as well as the associated spatial patterns.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF